發(fā)現(xiàn)第四種基因轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制！揭示噬菌體介導(dǎo)細(xì)菌有害基因轉(zhuǎn)導(dǎo)的新機(jī)制

在一項(xiàng)新的研究中，來自新加坡國立大學(xué)和英國帝國理工學(xué)院的研究人員發(fā)現(xiàn)了細(xì)菌傳播它們的基因的一種新方式，這種方式使細(xì)菌的進(jìn)化速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了人們以前的理解。這一新見解可能有助于科學(xué)家們更好地理解致病細(xì)菌如何進(jìn)化并變得毒性越來越強(qiáng)、對抗生素越來越耐藥。

共享遺傳物質(zhì)的能力是微生物進(jìn)化的主要驅(qū)動力，因?yàn)樗梢栽谒查g將良性細(xì)菌轉(zhuǎn)化為致命的病原體。作為感染細(xì)菌的病毒，噬菌體可以作為管道，通過一種稱為基因轉(zhuǎn)導(dǎo)（genetic transduction）的過程，使基因從一個細(xì)菌轉(zhuǎn)移到另一個細(xì)菌。

目前，已知的轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制有三種：普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)（generalized transduction）、局限性轉(zhuǎn)導(dǎo)（specialized transduction）和側(cè)向轉(zhuǎn)導(dǎo)（lateral transduction）。側(cè)向轉(zhuǎn)導(dǎo)也是由同一組研究人員在 2018 年發(fā)現(xiàn)的（Science, 2018, doi:10.1126/science.aat5867，詳細(xì)報(bào)道參見生物谷新聞：Science：重磅！發(fā)現(xiàn)第三種迄今為止為有效的細(xì)菌抗生素耐藥性獲得途徑---側(cè)向轉(zhuǎn)導(dǎo)），其效率至少是下一個強(qiáng)大的轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制---普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)---的1000倍。

這種新的轉(zhuǎn)導(dǎo)過程被稱為側(cè)向共轉(zhuǎn)導(dǎo)（lateral cotransduction），這種細(xì)菌進(jìn)化新頻率和速度背后的設(shè)計(jì)師是金黃色葡萄球菌致病性島（Staphylococcus aureus pathogenicity island, SaPI）。SaPI是一種利用和寄生噬菌體的自私DNA元件，通常被發(fā)現(xiàn)整合在金黃色葡萄球菌分離株的染色體中。

金黃色葡萄球菌是一種可導(dǎo)致人類和動物感染葡萄球菌的細(xì)菌。雖然它主要表現(xiàn)為皮膚感染，但如果擴(kuò)散到血液中并感染器官、骨骼或關(guān)節(jié)，就會危及生命。

Penadés說，“這一突破揭示了細(xì)菌進(jìn)化的新途徑。鑒于抗生素耐藥性超級細(xì)菌的激增令人震驚，理解驅(qū)動細(xì)菌進(jìn)化的機(jī)制變得越來越重要。”

這種新發(fā)現(xiàn)的轉(zhuǎn)導(dǎo)過程---側(cè)向共轉(zhuǎn)導(dǎo)---在效率上可與側(cè)向轉(zhuǎn)導(dǎo)相媲美，但在多功能性和復(fù)雜性上卻超過了后者。據(jù)了解，側(cè)向轉(zhuǎn)導(dǎo)只發(fā)生在細(xì)菌基因組中的休眠噬菌體被重新激活并在溶菌周期（lytic cycle）中開始增殖的時候，而側(cè)向共轉(zhuǎn)導(dǎo)則可能發(fā)生在休眠噬菌體重新激活過程和感染新細(xì)菌細(xì)胞的過程中。

此外，與犧牲自身基因來傳遞細(xì)菌宿主 DNA 的噬菌體不同，SaPI可以通過側(cè)向共轉(zhuǎn)導(dǎo)將自身與細(xì)菌 DNA 完全完整地傳遞。這種非凡的能力使它們能夠重復(fù)這一過程，從而大大提高了傳播細(xì)菌基因的效力和效率。

Chen說，“通過這項(xiàng)新的研究，我們證實(shí)細(xì)菌的進(jìn)化速度比我們想象的要快得多。雖然基因轉(zhuǎn)導(dǎo)一直是噬菌體的專屬領(lǐng)域，但具有諷刺意味的是，我們的研究顯示，地球上多產(chǎn)的寄生物（噬菌體）很可能是目前已知的強(qiáng)大、高效的轉(zhuǎn)導(dǎo)劑?！?/span>

新加坡國立大學(xué)醫(yī)學(xué)院副院長Chng Wee Joo教授說，“這一突破性發(fā)現(xiàn)將影響我們對細(xì)菌如何通過基因轉(zhuǎn)移進(jìn)化的理解，以及它們對細(xì)菌感染和疾病的潛在影響。這項(xiàng)新的研究也是臨床安全治療決策的重要依據(jù)?！?/span>

超級細(xì)菌的崛起呼喚著治療抗生素耐藥菌株的新方法。噬菌體療法就是近年來備受關(guān)注的一種方法，它利用噬菌體消滅感染和疾病中的有害細(xì)菌。然而，一些治療性噬菌體不僅能消滅細(xì)菌，還可能在不知情的情況下成為SaPI或其他能夠側(cè)向共轉(zhuǎn)導(dǎo)的相關(guān)序列元件的幫兇。

Penadés說，“這一過程也可能發(fā)生在其他一系列細(xì)菌物種中。這一突破性發(fā)現(xiàn)標(biāo)志著我們對細(xì)菌進(jìn)化的理解發(fā)生了革命性變化，并將極大地影響我們抗擊抗生素耐藥性的方式。”

Chen說，“它們（噬菌體）可以在短期內(nèi)被用來消滅細(xì)菌，但從長遠(yuǎn)來看，會將有害基因傳播到其他細(xì)胞，這可能被證明是災(zāi)難性的。有了這種了解致病生物進(jìn)化機(jī)制的新方法，治療性噬菌體在用于治療之前必須經(jīng)過仔細(xì)審查。”