Science：细菌能以惊人的速度转换其免疫功能，对抗病毒

细菌迅速改变其基因组的可移动部分，从而产生对病毒的抵抗力

　　

   

   

图片:滤镜上生长的弧菌菌落

细菌病毒，也就是所谓的噬菌体，能破坏细菌。细菌经常受到病毒的攻击。维也纳大学微生物学家Martin Polz领导的一个研究小组目前正在研究细菌是如何抵御病毒捕食者的。这项研究表明，细菌具有可交换的遗传元素，这些遗传元素是专门为防御病毒而设计的，允许细菌种群以惊人的速度转换其固有免疫功能。细菌如何以及多快产生对病毒的耐药性的问题，对于发展基于噬菌体的治疗细菌感染的疗法至关重要。这项研究现在发表在著名杂志Science上．

细菌和噬菌体之间的掠食性相互作用

噬菌体是一种利用细菌作为宿主细胞的病毒。在自我复制的过程中，它们破坏了细菌细胞:受感染的细菌产生病毒，直到它们破裂。作为微生物的捕食者，噬菌体显著地塑造了在所有环境、所有生物体和人类健康中发挥重要作用的各种微生物群落。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抗生素的一个有前途的替代品。“人们在早期就使用噬菌体来对抗细菌。然而，它们随后被抗生素所取代，因为人们对病毒和细菌之间的相互作用仍然知之甚少，”维也纳大学微生物和环境系统科学中心(CMESS)的Martin Polz说。大约一年前，这位微生物学家从美国剑桥的麻省理工学院(MIT)搬到了维也纳大学。他和他在麻省理工学院的团队发起了一个研究项目，深入研究了这种互动。

国际研究小组发现移动防御基因的快速交换

研究小组详细研究了细菌如何防御病毒。“每个细菌细胞都有一套防御基因，使其能够消除某些病毒，”该研究项目的负责人解释说，“我们的研究表明，这些防御基因在细菌细胞之间交换非常迅速。这是可能的，因为它们被整合到所谓的移动遗传元素中，这些元素本身控制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与所有其他细菌相同的核心基因组，而且还包含可移动的遗传元素。这种可移动的、可交换的基因组可以在不同的细菌之间有所不同，但它的整体功能仍然知之甚少。研究表明，它主要有一个目的:噬菌体防御。因此，与病毒的斗争决定了基因组的交换和细菌的进化。

以色列魏茨曼科学研究所的教授Rotem Sorek对这些发现发表评论说:“这些发现让人们关注到微生物世界中噬菌体防御的重要性。”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，通过对这些防御岛的精确分析，科学家们解决了一个困扰了研究人员十年的难题。

海洋弧菌先天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。“我们的研究结果强调，这种先天免疫主要负责抵御病毒。该研究的主要作者Fatima Aysha Hussain解释说:“基于实验室实验，以前人们认为细菌主要通过修饰其表面的受体来防御病毒。”在三个月的时间里，研究人员每天都在新英格兰海岸收集水样，探索弧菌细菌和那些在它们实际栖息地与它们相互作用的病毒之间的相互作用。通过基因组和基因分析，他们观察到极其迅速的进化变化:在93天的研究中，单个细菌通过交换移动基因元素产生了特定的抗性。“这些变化发生在几代人之间，也就是细胞分裂，这意味着，在野外，细菌能够在几周到几个月内对某些病毒产生耐药性。”

设计基于噬菌体的治疗方法的重要意义

噬菌体和细菌的相互作用非常特殊。因此，病毒的攻击只对单个细菌有效，而对整个细菌物种无效。这项研究证明了为什么会出现这种情况:“防御基因非常多样化，而且交换非常迅速，所以种群中总是有大量的抵抗个体，”这项研究的发现不仅提供了微生物群落如何运作的基础知识。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，因为与我们研究的那些类似的移动基因元件也会影响对抗生素耐药性的快速发展。”

DOI

10.1126 / science.abb1083

文章标题

Rapid evolutionary turnover of mobile genetic elements drives bacterial resistance to phages.