I型毒素-抗毒素系统双稳态性介导应激诱导的细菌持留菌形成机制研究

《npj Systems Biology and Applications》：Bistability in type I toxin-antitoxin systems may lead to stress-induced persister formation

本研究针对细菌持留菌（persister）形成机制这一关键科学问题，通过构建首个I型毒素-抗毒素系统（TA系统）理论模型，揭示了双稳态性（bistability）是持留菌形成的核心动力学特征。研究发现，毒素通过抑制抗毒素降解的负反馈回路与生长速率正反馈回路协同作用，驱动细菌群体分化为正常生长态和高毒素持留态。该模型为理解抗生素耐受性提供了定量框架，并为靶向持留菌的治疗策略开辟新途径。

　　

在抗生素与细菌的漫长博弈中，有一类特殊细胞始终是医学界的难题——持留菌（persister）。它们并非基因突变产生的耐药菌，而是通过进入休眠状态在抗生素轰炸中“装死”逃生，待药物浓度下降后再度复苏，导致感染反复发作。自1944年青霉素应用于临床时被发现以来，持留菌的形成机制始终迷雾重重。近年来，毒素-抗毒素（TA）系统作为细菌的“自杀开关”被广泛关注，但其中I型TA系统（毒素为蛋白，抗毒素为小RNA）如何调控持留态转化，仍缺乏定量理论支撑。

发表于《npj Systems Biology and Applications》的最新研究首次构建了I型TA系统的动力学模型，通过非线性动力学与随机模拟相结合，揭示了双稳态性（bistability）是持留菌形成的核心机制。研究团队以大肠杆菌tisB/istR-1系统为范本，发现毒素通过双重反馈回路驱动细胞分化为低毒素（正常生长）和高毒素（持留）两种稳态，而应激信号（如抗生素）可将系统推入双稳态区间，促使部分细胞转化为持留态。这一发现不仅解释了实验观测到的抗生素诱导持留现象，更提出了“持留态稳定化”的新机制：短暂进入慢速生长的细胞可通过TA系统锁定为长期持留状态。

研究方法概要

研究通过建立常微分方程模型描述毒素前体mRNA（h）、活性毒素mRNA（h′）、毒素-抗毒素复合物（[h′s]）及毒素蛋白（H）的动力学过程，采用准稳态近似（QSSA）简化RNA快速反应。关键参数包括毒素表达强度参数r（与转录率φ_h正相关）和抗毒素表达强度参数S（与φ_{s/λs正相关）。通过分岔分析绘制稳定性相图，并利用蒙特卡洛模拟噪声诱导的状态切换。模型验证了抗毒素降解负反馈（依赖RNase E）对双稳态的必要性。}

稳定性与分岔分析

通过解析推导r-S稳定性相图，研究发现当S≤0.3（抗毒素表达适中）且r处于特定区间时，系统呈现双稳态。

分岔图显示，低r值时系统仅存在低毒素稳态（无持留菌），随着r增加（如应激增强），系统进入双稳态区间，此时抗毒素表达水平S决定稳态选择：高S维持低毒素态，低S引发向高毒素态跃迁。特别值得注意的是，毒素的两个抑制步骤（慢速mRNA预处理与抗毒素结合）具有明确分工：前者主要抑制基础状态下的毒素泄漏，后者则调控应激诱导的状态切换。

随机模拟验证双稳态切换

随机模拟结果显示，毒素分子数呈现双峰分布，对应低毒素（~20分子）和高毒素（~200分子）稳态。

当r从0.5升至0.6时，高毒素态峰值显著增强，表明应激水平提升会增加持留菌比例。细胞分裂周期分布同样呈现双峰，证实毒素水平与生长速率负相关。这些模拟结果与实验观测的持留菌异质性高度吻合。

尖点突变曲面揭示滞后效应

通过构建尖点突变曲面（cusp catastrophe surface），研究直观展示双稳态的滞后现象：系统在低毒素态时，需显著降低S（抗毒素表达）才会跃迁至高毒素态；而一旦进入高毒素态，即使S恢复，系统仍“记忆”应激历史，直至S大幅升高才返回低毒素态。

这种滞后效应解释了持留菌的稳定性：一旦形成，即使应激信号减弱，细胞仍维持休眠状态，从而增强群体生存韧性。

研究结论与意义

本研究通过定量模型首次阐明I型TA系统介导持留菌形成的动力学原理，核心结论包括：（1）双稳态需同时依赖正反馈（毒素抑制生长→降低稀释速率）和负反馈（毒素抑制抗毒素降解）；（2）系统在正常生长时单稳态，应激信号可诱导进入双稳态区间，支持抗生素诱导持留而非自发持留的形成机制；（3）两个毒素抑制步骤（mRNA预处理与抗毒素结合）功能分化，分别调控基础抑制和应激响应；（4）随机噪声可使短暂进入慢速生长的细胞稳定为长期持留态，为“持留态稳定化”假设提供机制解释。

该研究不仅为理解细菌耐受性提供了新范式，其结合生物物理建模、非线性动力学与随机模拟的方法框架，还可拓展至癌症细胞持续性等生物医学问题研究。未来实验应重点验证毒素对RNase E活性的调控作用，并通过定量参数测量实现模型精准预测。