【Science】破解细菌体内可交换的基因组有望抵御噬菌体的杀伤！

细菌病毒，即所谓的噬菌体，可以破坏细菌。细菌经常受到病毒的攻击。维也纳大学的微生物学家Martin Polz领导的一个研究团队已经研究了细菌如何抵御病毒捕食者的。这项研究表明，细菌具有可交换的基因元素，这些基因因素是专门为抵御病毒而设计的，这使得细菌种群能够以惊人的速度转换其固有的先天免疫功能。细菌如何以及如何快速产生对病毒的耐药性，对于开发基于噬菌体的抗细菌感染疗法至关重要。这项研究于近日发表在《Science》杂志上，研究人员发表了一篇题为“Rapid evolutionary turnover of mobile genetic elements drives bacterial resistance to phages”的文章。

DOI: 10.1126/science.abb1083

细菌与噬菌体之间的捕食性相互作用

细菌噬菌体是利用细菌作为宿主细胞的病毒。在自我繁殖的过程中，它们会破坏细菌细胞：受感染的细菌会产生病毒，直到它们爆发。作为微生物捕食者，噬菌体显著地塑造了各种微生物群落，这些微生物群落在所有环境、所有生物以及人类健康中发挥着重要作用。此外，由于抗生素耐药性的增加，噬菌体被认为是治疗细菌感染的一种有希望的抗生素替代品。

维也纳大学的微生物学和环境系统科学中心（CMESS）的Martin Polz说：“人们实际上早就使用噬菌体来对抗细菌。然而，它们随后被抗生素所取代，因为病毒和细菌之间的相互作用仍不清楚。”大约一年前，这位微生物学家从美国剑桥的麻省理工学院搬到维也纳大学。他在麻省理工学院与他的团队发起的一个研究项目，深入研究了这种互动。

国际研究团队发现移动防御基因的快速交换

维也纳大学、麻省理工学院和法国巴黎索邦大学的研究团队详细研究了细菌如何抵御病毒。研究项目负责人解释说：“每个细菌细胞都有一套防御基因，使其能够消灭某些病毒。我们的研究表明，这些防御基因在细菌细胞之间的交换非常迅速。这是可能的，因为它们被整合到所谓的可移动基因元件（mobile genetic elements，MGEs）中，这些元件本身控制着它们是否以及何时从一个细胞转移到另一个细胞。

对病毒的防御塑造了细菌的进化

每一种细菌不仅拥有一个与同一物种的所有其他细菌共享的核心基因组，而且还包含可移动基因元件。这种可移动的、可交换的基因组在不同的细菌之间可能有所不同，但其整体功能仍知之甚少。研究表明，它主要用于一个目的：噬菌体防御。因此，与病毒的斗争决定了基因组的交换，从而决定了细菌的进化。以色列魏茨曼科学研究所教授Rotem Sorek对该研究结果发表评论说：“这一发现突出了噬菌体防御在微生物世界中的重要性。”Sorek没有参与这项研究，但他对噬菌体和细菌的相互作用进行了领先的研究。他说，通过对这些防御岛屿的精确分析，科学家们解决了过去十年来一直困扰研究人员的一个难题。

海洋弧菌天然防御机制的进化分析

这项研究分析了基因组固有的防御机制。该研究的主要作者Fatima Aysha Hussain解释说：“我们的研究结果突出表明，这种先天免疫主要负责防御病毒。根据实验室实验，以前曾假设细菌主要通过修饰其表面的受体来防御病毒。”三个月来，研究人员每天都在新英格兰海岸采集水样，以探索弧菌与在其实际栖息地与弧菌相互作用的病毒之间的相互作用。通过基因组和遗传分析，他们观察到了极快的进化变化：在93天的研究中，单个细菌通过可移动基因元件的交换产生了特异性抗性。首席研究员Martin Polz解释道：“这些变化在几代人的时间内发生，即细胞分裂。这意味着，细菌能够在野外数周到数月内对某些病毒产生耐药性。”

设计基于噬菌体疗法的重要意义

噬菌体和细菌的相互作用非常特异。因此，病毒攻击只能在单个细菌上成功，而不能在整个细菌物种上成功。Martin Polz表示：“这项研究证明了为什么会出现这种情况：防御基因非常多样，并且交换速度非常快，因此在人群中总是有大量的抗药性个体。”这项研究的发现不仅提供了微生物群落如何运作的基本知识。他们还指出了用噬菌体对抗细菌的挑战：在开发噬菌体疗法时必须考虑到耐药性的快速获得，正是因为与我们研究的类似的可移动基因元件也负责抗生素耐药性的快速发展。（转化医学网360zhyx.com）

参考资料：

https://phys.org/news/2021-10-viruses-interchangeable-defense-genes.html

注：本文旨在介绍医学研究进展，不能作为治疗方案参考。如需获得健康指导，请至正规医院就诊。