Science｜可移动遗传元件快速进化帮助细菌抵御噬菌体

责编｜酶美

噬菌体与细菌间相爱相杀的关系促进了两者的进化。近年来，我们已经初步揭示了细菌抵抗噬菌体的多种手段，如CRISPR系统和几种先天免疫机制。然而，我们对细菌的先天免疫机制仍知之甚少，尚不清楚细菌是如何利用先天免疫机制，来获得对噬菌体的抗性，以及又是如何失去这种抗性的。

由于噬菌体以表面的某些结构（如膜受体）作为其靶受体进行侵染，有人提出受体突变可能是细菌抵抗噬菌体的一种主要策略，但是由于受体突变可能会对细菌自身适应环境造成较大影响，因此该假说尚待探究。

近日，来自麻省理工学院（MIT）的Martin F. Polz团队和法国海洋开发研究院Frédérique Le Roux团队共同在Science杂志上合作发表了题为Rapid evolutionary turnover of mobile genetic elements drives bacterial resistance to phages的文章，为上述问题提供了一些答案。该文章利用海洋中的弧菌，揭示了该类细菌并非通过受体的突变，而是利用可快速周转遗传移动元件来获得噬菌体抗性。

此前，作者在美国纳汉特（Nahant）的Canoe海湾连续收集了93天的海水，并获得了超过1300株弧菌，并挑选了其中3天的弧菌作为“诱饵”，以分离获得噬菌体。对噬菌体与弧菌间的感染关系进行探究，作者发现，即使两个细菌的核心基因组之间只有几个SNP的差异，依然会造成细菌对不同噬菌体的不同抗性。因此，作者进一步挑选了23株分离自相近克隆（nearly clonal）的慢弧菌，进行后续的研究。

其中的22株慢弧菌可以被2类不同的长尾噬菌体所感染，第一类噬菌体（橘色）包含4株，第二类噬菌体（紫色）包含18株。在不同的MOI条件下，用噬菌体侵染慢弧菌，会产生2种现象：（1）慢弧菌裂解，噬菌体增殖；（2）在高浓度的噬菌体条件下宿主发生裂解，但是噬菌体无法增殖，即发生自外裂解（lysis from without）现象。通过一系列的侵染实验，作者发现，这些噬菌体可吸附的宿主范围远大于其可杀死的宿主范围。

由于上述2类噬菌体是通过不同的受体进行侵染的，而所有的慢弧菌均拥有编码相关受体的基因，因此作者认为受体无法解释其观察到的现象，即不同慢弧菌具有不同的噬菌体抗性，并进一步探索了其他潜在的机制。

通过对慢弧菌基因组的比较分析，作者最终鉴定得到了28个大于5kb的灵活基因组区域，其中26个区域具有明显的移动遗传元件（MGE）特征，并含有至少一个与噬菌体防御相关的基因。作者将着26个MGE定义为噬菌体防御元件（phage defense elements，PDE）。统计发现，一个菌株含有6-12个PDE。

接着，作者探究了PDE对噬菌体抗性的影响。作者发现，对橘色组噬菌体具有抗性的弧菌（PDE1，PDE2，PDE3）和对紫色组噬菌体具有抗性的弧菌（PDE4，PDE5）具有不同的PDE。其中，PDE1，PDE4，PDE5包含了1型限制性修饰（RM）系统，PDE2和PDE3包含了几个可能的防御基因。

而且作者还发现，PDE的插入并不会破坏宿主的功能。并且，这5种PDE在其他的弧菌基因组中也存在，提示这些PDE可以发生基因水平转移。

为了进一步探究不同PDE对噬菌体抗性的贡献，作者对PDE1，PDE2和PDE3进行了单一敲除和组合敲除，并在不同浓度的噬菌体条件下进行侵染实验。

结果表明，单独敲除PDE2或PDE3的时候，与野生型的表型类似；但是同时敲除PDE2和PDE3时，敲除株的噬菌体抗性明显变弱。当同时敲除PDE1和PDE2时，表型与单独敲除PDE1类似；但当同时敲除PDE1和PDE3时，其抗性明显减弱，说明PDE3比PDE2提供了更强的抗性。但是在上述情况中均不存在噬菌体繁殖，只有当同时敲除3个PDE的时候，菌株才对噬菌体变得敏感。

作者还对PDE中未被明确注释的基因进行了探究。其发现，3个PDE中有2个都带有了未被鉴定的噬菌体防御基因。

有意思的是，作者对种群水平的受体多样性进行了探究，发现在同一种群中，受体都是高度类似的，这意味着如果是噬菌体抗性主要是由所携带的PDE决定的，那么PDE的流动速度会很快，并且相关的抗性基因是可移动的。

作者对慢弧菌的后续分析证实了这一点：首先，不存在任何SNP差异的慢弧菌之间可能会存在至少1个PDE的差异；对橘色或紫色组噬菌体存在抗性的两组慢弧菌最少也存在5个PDE的差异，但是仅有14个SNP的差异；在90天左右的时间中，作者观察到了不同PDE的丰度变化差异——PDE3始终保持较高的拥有率，而PDE2只在最后的时间才有所上升。

最后，作者利用公共数据库分析了李斯特菌、沙门氏菌和梭状芽孢杆菌，发现与慢弧菌类似，这些细菌的灵活基因组区域与噬菌体防御区域高度相关。

综上，该研究证明了先天免疫机制可以在种群水平上迅速转移，这一结论具有3方面的重要意义：（1）由于许多天然细菌种群的共存多样性很高，克隆水平上的抗性能够有效降低噬菌体浓度，降低噬菌体-宿主相遇的频率；（2）带有抗性基因的可移动元件使噬菌体抗性成为一种可快速变化的表型，而不依赖于核心基因组；（3）在长期或反复使用噬菌体疗法进行治疗时，应考虑细菌的这种快速获得噬菌体抗性的能力。

值得一提的是，同期，Science杂志还发表了Sean Meaden和Peter C. Fineran教授对该研究的评论文章。

原文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abb1083