揭示細(xì)菌利用可交換的防御基因?qū)故删w攻擊

　　細(xì)菌病毒，即所謂的噬菌體，會破壞細(xì)菌。細(xì)菌不斷暴露在噬菌體的攻擊之下。在一項(xiàng)新的研究中，奧地利維也納大學(xué)微生物學(xué)家Martin Polz領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)如今研究了細(xì)菌如何抵御病毒捕食者，即噬菌體。該研究表明，細(xì)菌具有專門為防御噬菌體而設(shè)計(jì)的可交換的遺傳因子，使細(xì)菌群體能夠令人驚訝地迅速轉(zhuǎn)換其先天免疫力。細(xì)菌如何以及如何快速產(chǎn)生對噬菌體的抵抗力的問題對于開發(fā)基于噬菌體的療法來對付細(xì)菌感染具有至關(guān)重要的意義。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在2021年10月22日的Science期刊上，論文標(biāo)題為“Rapid evolutionary turnover of mobile genetic elements drives bacterial resistance to phages”。

　　細(xì)菌和噬菌體之間的掠奪性互動

　　噬菌體是利用細(xì)菌作為宿主細(xì)胞的病毒。在自我增殖的過程中，它們會破壞細(xì)菌細(xì)胞。被感染的細(xì)菌產(chǎn)生噬菌體，直到它們爆裂。作為細(xì)菌的捕食者，噬菌體極大地塑造了多樣化的微生物群落，這些微生物群落在所有的環(huán)境中，對所有的生物體，也對人類健康起著重要的作用。此外，由于抗生素的耐藥性越來越強(qiáng)，噬菌體被認(rèn)為是治療細(xì)菌感染時(shí)抗生素的一種有希望的替代選擇。

　　Polz說，“實(shí)際上，人們在早期就使用噬菌體來對抗細(xì)菌。然而，它們后來被抗生素所取代，因?yàn)槿藗儗κ删w和細(xì)菌之間的相互作用仍然知之甚少。”大約一年前，Polz從美國劍橋的麻省理工學(xué)院搬到了維也納大學(xué)。他和他在麻省理工學(xué)院的團(tuán)隊(duì)發(fā)起的一個(gè)研究項(xiàng)目，找到了這種互動的根源。

　　發(fā)現(xiàn)可移動防御基因的快速交換

　　在這項(xiàng)新的研究中，這些作者詳細(xì)研究了細(xì)菌如何防御噬菌體。Polz解釋說，“每個(gè)細(xì)菌細(xì)胞都有一套防御基因，使其能夠消除某些噬菌體。我們的研究表明，這些防御基因在細(xì)菌細(xì)胞之間的交換非常迅速。這是可能的，因?yàn)樗鼈儽徽系搅怂^的可移動遺傳因子中，這些遺傳因子本身可以控制它們是否以及何時(shí)從一個(gè)細(xì)胞轉(zhuǎn)移到另一個(gè)細(xì)胞。”

　　對噬菌體的防御塑造了細(xì)菌的進(jìn)化

　　每個(gè)細(xì)菌不僅擁有與它所屬的物種的所有其他細(xì)菌共享的核心基因組，而且還包含可移動遺傳因子。這種可移動、可交換的基因組在不同的細(xì)菌之間可能有所不同，但它的總體功能仍然不為人所知。這項(xiàng)新的研究表明，它主要為一個(gè)目的服務(wù)：噬菌體防御。相應(yīng)地，與噬菌體的斗爭塑造了基因組的交換，從而塑造了細(xì)菌的進(jìn)化。以色列魏茨曼科學(xué)研究所的Rotem Sorek教授（沒有參與這項(xiàng)研究）對這些研究結(jié)果發(fā)表了評論，“這些發(fā)現(xiàn)使人們注意到了噬菌體防御在微生物世界中的重要性。”Sorek對噬菌體和細(xì)菌的互動進(jìn)行了重要的研究。他說，通過對這些防御島（defense island）的精確分析，這些作者已經(jīng)解決了一個(gè)過去十年來一直困擾著人們的難題。

　　海洋弧菌的先天防御機(jī)制的進(jìn)化分析

　　這項(xiàng)新的研究分析了細(xì)菌基因組的先天防御機(jī)制。論文**作者Fatima Aysha Hussain解釋道，“我們的結(jié)果強(qiáng)調(diào)，這種先天免疫主要負(fù)責(zé)對噬菌體的防御。基于實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)，之前人們認(rèn)為細(xì)菌主要通過修改位于其表面的受體來防御噬菌體。”在三個(gè)月里，這些作者每天在新英格蘭海岸收集水樣，以探索弧菌和那些在其實(shí)際棲息地與它們相互作用的噬菌體之間的相互作用。利用基因組和遺傳分析，他們觀察到極其迅速的進(jìn)化變化：在93天的研究中，弧菌通過可移動遺傳因子的交換形成了特定的抵抗力。Polz解釋說，“這些變化發(fā)生在幾代之后。這意味著細(xì)菌能夠在野外的幾周到幾個(gè)月內(nèi)產(chǎn)生對某些噬菌體的抵抗力。”

　　對設(shè)計(jì)基于噬菌體的療法的重要意義

　　噬菌體和細(xì)菌的相互作用**特異性。因此，噬菌體的攻擊只對單個(gè)細(xì)菌而不會對整個(gè)細(xì)菌物種成功。Polz解釋說，這項(xiàng)新的研究證實(shí)了為什么會出現(xiàn)這種情況：“這些防御基因非常多樣化，而且交換非常迅速，因此群體中總是有大量的抗性個(gè)體。”這些研究結(jié)果不僅提供了關(guān)于微生物群落如何運(yùn)作的基本知識，它們還指出了利用噬菌體打擊細(xì)菌挑：“在開發(fā)噬菌體療法時(shí)必須考慮到耐藥性的快速獲得，這是因?yàn)榕c我們研究的那些類似的可移動遺傳因子也是抗生素抗藥性快速產(chǎn)生的原因。”