Cell | 重磅！发现第四种基因转导机制！揭示噬菌体介导细菌有害基因转导的新机制

在一项新的研究中，来自新加坡国立大学和英国帝国理工学院的研究人员发现了细菌传播它们的基因的一种新方式，这种方式使细菌的进化速度远远超过了人们以前的理解。这一新见解可能有助于科学家们更好地理解致病细菌如何进化并变得毒性越来越强、对抗生素越来越耐药。相关研究结果发表在2023年8月3日的Cell期刊上，论文标题为“Dual pathogenicity island transfer by piggybacking lateral transduction”。论文通讯作者为新加坡国立大学医学院微生物学与免疫学系助理教授John Chen博士和帝国理工学院传染病系教授José R. Penadés博士。

共享遗传物质的能力是微生物进化的主要驱动力，因为它可以在瞬间将良性细菌转化为致命的病原体。作为感染细菌的病毒，噬菌体可以作为管道，通过一种称为基因转导（genetic transduction）的过程，使基因从一个细菌转移到另一个细菌。

目前，已知的转导机制有三种：普遍性转导（generalized transduction）、局限性转导（specialized transduction）和侧向转导（lateral transduction）。侧向转导也是由同一组研究人员在 2018 年发现的（Science, 2018, doi:10.1126/science.aat5867，详细报道参见生物谷新闻：Science：重磅！发现第三种迄今为止最为有效的细菌抗生素耐药性获得途径---侧向转导），其效率至少是下一个最强大的转导机制---普遍性转导---的1000倍。

这种新的转导过程被称为侧向共转导（lateral cotransduction），这种细菌进化新频率和速度背后的设计师是金黄色葡萄球菌致病性岛（Staphylococcus aureus pathogenicity island, SaPI）。SaPI是一种利用和寄生噬菌体的自私DNA元件，通常被发现整合在金黄色葡萄球菌分离株的染色体中。

金黄色葡萄球菌是一种可导致人类和动物感染葡萄球菌的细菌。虽然它主要表现为皮肤感染，但如果扩散到血液中并感染器官、骨骼或关节，就会危及生命。

Penadés说，“这一突破揭示了细菌进化的新途径。鉴于抗生素耐药性超级细菌的激增令人震惊，理解驱动细菌进化的机制变得越来越重要。”

这种新发现的转导过程---侧向共转导---在效率上可与侧向转导相媲美，但在多功能性和复杂性上却超过了后者。据了解，侧向转导只发生在细菌基因组中的休眠噬菌体被重新激活并在溶菌周期（lytic cycle）中开始增殖的时候，而侧向共转导则可能发生在休眠噬菌体重新激活过程和感染新细菌细胞的过程中。

此外，与牺牲自身基因来传递细菌宿主 DNA 的噬菌体不同，SaPI可以通过侧向共转导将自身与细菌 DNA 完全完整地传递。这种非凡的能力使它们能够永久地重复这一过程，从而大大提高了传播细菌基因的效力和效率。

图片来自Cell, 2023, doi:10.1016/j.cell.2023.07.001。

Chen说，“通过这项新的研究，我们证实细菌的进化速度比我们想象的要快得多。虽然基因转导一直是噬菌体的专属领域，但具有讽刺意味的是，我们的研究显示，地球上最多产的寄生物（噬菌体）很可能是目前已知的最强大、最高效的转导剂。”

新加坡国立大学医学院副院长Chng Wee Joo教授说，“这一突破性发现将影响我们对细菌如何通过基因转移进化的理解，以及它们对细菌感染和疾病的潜在影响。这项新的研究也是临床安全治疗决策的重要依据。”

超级细菌的崛起呼唤着治疗抗生素耐药菌株的新方法。噬菌体疗法就是近年来备受关注的一种方法，它利用噬菌体消灭感染和疾病中的有害细菌。然而，一些治疗性噬菌体不仅能消灭细菌，还可能在不知情的情况下成为SaPI或其他能够侧向共转导的相关序列元件的帮凶。

Penadés说，“这一过程也可能发生在其他一系列细菌物种中。这一突破性发现标志着我们对细菌进化的理解发生了革命性变化，并将极大地影响我们抗击抗生素耐药性的方式。”

Chen说，“它们（噬菌体）可以在短期内被用来消灭细菌，但从长远来看，最终会将有害基因传播到其他细胞，这可能被证明是灾难性的。有了这种了解致病生物进化机制的新方法，治疗性噬菌体在用于治疗之前必须经过仔细审查。”

参考资料：

Melissa Su Juan Chee et al. Dual pathogenicity island transfer by piggybacking lateral transduction. Cell, 2023, doi:10.1016/j.cell.2023.07.001.