单细胞抗生素敏感性的谱系依赖性变异揭示细菌表型抗性的选择性遗传

为探究基因相同细菌对抗生素反应异质性的遗传机制，研究人员以大肠杆菌为模型，用实时单细胞追踪技术分析其在 β- 内酰胺类抗生素头孢磺啶（cefsulodin）作用下的谱系存活模式，发现表型抗性可跨代遗传，为抗生素耐药性研究提供新视角。

抗生素耐药性是现代医学面临的重大挑战之一，尤其当细菌在未发生遗传变异时仍能耐受药物的现象 —— 表型抗性（phenotypic resistance），长期困扰着研究者。传统观念认为抗生素耐药性主要源于基因突变或水平基因转移（即基因型抗性），但越来越多证据表明，即使基因完全相同的细菌群体中，部分个体也能通过非遗传机制存活并繁殖，这种异质性不仅导致抗生素治疗失败，还可能加速耐药性进化。然而，表型抗性是否具有跨代遗传性、其传播动力学如何，以及关键分子机制（如外排泵等）在其中的作用，一直缺乏单细胞层面的动态追踪证据。

为破解这些谜题，美国埃默里大学（Emory University）的研究团队开展了一项突破性研究。他们以大肠杆菌（Escherichia coli）为模式生物，聚焦 β- 内酰胺类抗生素头孢磺啶（cefsulodin，临床断点浓度为 32 μg/ml），利用实时单细胞成像与谱系追踪技术，构建了包含数千个细胞的系谱树，系统分析了细菌在抗生素压力下的存活模式及其代际相关性。该研究成果发表在《Nature Communications》，为理解非遗传耐药性的传播机制提供了关键证据。

研究采用的核心技术包括：

1. 单细胞实时追踪与系谱树构建：通过微流控芯片和延时显微镜，对单个大肠杆菌细胞的分裂、死亡过程进行连续成像，记录每个细胞的 “家族关系”，形成包含存活状态（X=1 表示存活，X=0 表示死亡）的系谱树。

2. 统计模型与信息论分析：引入皮尔逊相关系数分析细胞存活的亲属相关性，利用香农熵（Shannon entropy）和互信息（mutual information）量化代际间的信息传递。

3. 基因敲除与表型比较：构建外排泵关键组分 TolC 敲除菌株（ΔtolC），对比野生型（WT）与突变株在抗生素压力下的存活动力学差异。

单细胞水平的存活异质性与谱系相关性

传统抗生素敏感性测试显示，野生型大肠杆菌在头孢磺啶断点浓度下整体呈 “耐药” 表型（菌群密度饱和），但单细胞成像揭示约 40% 细胞实际被杀灭，群体呈现随机波动。通过系谱树分析发现，存活状态在亲属间存在显著正相关性：同胞细胞的存活相关性最高，随着亲缘关系疏远逐渐降低。有趣的是，ΔtolC 菌株（外排泵功能缺陷）的远缘亲属相关性下降更缓慢，暗示外排泵可能通过调节表型异质性的代际记忆发挥作用。

表型抗性的跨代遗传与稳健谱系富集

研究定义 “稳健存活” 为母细胞分裂后两个子细胞均存活（D=2），并发现稳健存活具有显著的遗传性：当母细胞为稳健型时，子细胞稳健存活的条件概率 [P (D=2|R_N-1)] 高于随机概率。随着连续稳健世代数增加（N=1 至 N=3），其频率显著高于随机预期，且后代稳健存活概率逐步提升，形成 “正反馈” 效应。同时，稳健谱系的灭绝概率随世代数增加而降低，而非稳健谱系更易终止，表明表型抗性通过谱系选择实现定向富集。

信息传递与模型验证

信息论分析显示，野生型中祖先存活历史对后代命运的预测信息含量较低，且不随世代数增加而显著变化，提示表型遗传主要局限于稳健谱系而非全群体。相比之下，ΔtolC 菌株的代际信息传递略有增强，但整体仍处于低水平。通过构建三状态群体模型（健康态、脆弱态、死亡态），研究定量拟合了存活相关性数据，发现野生型的 “恢复率”（从脆弱态转回健康态）显著高于 ΔtolC 菌株，解释了其表型状态转换更频繁的特性，而 ΔtolC 菌株因状态维持更稳定，导致远缘亲属相关性更高。

结论与意义

本研究首次在单细胞谱系水平证实了细菌表型抗性的可遗传性，揭示其通过细胞异质性实现 “少数派存活” 的关键机制。研究发现，即使在未进化出基因型抗性的群体中，表型抗性的跨代传递也能通过自然选择驱动稳健谱系富集，这为解释临床抗生素治疗失败（如异质性耐药）提供了新范式。此外，外排泵 TolC 不仅通过药物外排直接影响耐药性，还通过调节表型状态的稳定性，间接控制抗性的代际传播动力学。

该研究的意义不仅在于深化对细菌非遗传耐药性的理解，还为单细胞水平抗生素敏感性诊断技术（如微流控实时成像）的开发提供了理论依据。未来结合单细胞组学技术，有望进一步解析表型抗性的分子特征，为设计靶向表型异质性的新型抗菌策略开辟道路。