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近日美國德州農(nóng)工大學(xué)化學(xué)工程系A(chǔ)rtie McFerrin部門的Thomas Wood教授在一項(xiàng)新研究中發(fā)現(xiàn)了細(xì)菌吸收入侵病毒的異源DNA使之并入到自我調(diào)節(jié)過程的機(jī)制，揭示了自然界最原始的一個免疫系統(tǒng)的奧秘。研究成果發(fā)表在《自然通訊》 Nature Communications 雜志上。在論文中作者詳細(xì)地描述了在數(shù)百萬年的進(jìn)程中，細(xì)菌通過不斷地利用它們的自然界敵人病毒的DNA形成抗生素抵抗能力的機(jī)制。

Wood解釋說：“細(xì)菌與噬菌病毒之間的斗爭已經(jīng)持續(xù)了數(shù)百萬年。在這一過程中病毒總是通過一種方式——入侵到細(xì)菌細(xì)胞中并將自身整合到細(xì)菌的染色體上來實(shí)現(xiàn)自我復(fù)制。當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí)細(xì)菌通常會生成一份包含病毒顆粒的染色體，隨后病毒會進(jìn)行自我復(fù)制，殺死細(xì)菌。這一機(jī)制與定時(shí)炸彈非常相似。”

然而病毒也會有失手的時(shí)候，這是因?yàn)榧?xì)菌染色體內(nèi)經(jīng)常發(fā)生隨機(jī)但卻是大量的突變。整合至細(xì)菌染色體中的病毒也可能受到突變的影響從而使其無法進(jìn)行自我復(fù)制并殺死細(xì)菌。利用這種新的多變的遺傳物質(zhì)融合機(jī)制，細(xì)菌不能戰(zhàn)勝了病毒，并且相比于未摻入病毒DNA的細(xì)菌，能夠以更快的效率不斷地繁殖。

“在數(shù)百萬年的時(shí)間里，病毒成為了細(xì)菌的正常組成部分，”Woods說：“它為細(xì)菌帶來了新技能、新基因、新蛋白、新的酶等一切的新鮮事物。細(xì)菌也在不斷地學(xué)習(xí)如何從中取益。”

“我們發(fā)現(xiàn)利用數(shù)百萬年來陷入染色體中的病毒DNA，細(xì)菌由此生成了一種新的免疫系統(tǒng)，形成許多新的蛋白使其能夠抵抗抗生素和其他可以氧化細(xì)胞的有害物質(zhì)，例如過氧化氫。這些細(xì)菌還獲得了一套新病毒技巧使其不會死亡或是不會快速死亡，”Woods說。

為了了解病毒DNA對于細(xì)菌的重要意義，Wood研究小組在研究中應(yīng)用了一種大腸桿菌菌株。研究人員利用一種“酶剪切”工具除去了細(xì)菌染色體上的9個病毒片段（準(zhǔn)確地說是移除了16萬6千個核苷酸）。當(dāng)病毒片段被成功地移除后，研究人員檢測了細(xì)菌細(xì)胞的改變情況。進(jìn)而研究人員發(fā)現(xiàn)細(xì)菌對于抗生素的敏感性顯著增強(qiáng)。

當(dāng)Wood在大腸桿菌中對這種效應(yīng)進(jìn)行研究時(shí)，他發(fā)現(xiàn)相似的過程以大規(guī)模的、廣泛地形式發(fā)生著。在幾乎所有的細(xì)菌中都發(fā)現(xiàn)有病毒DNA，有些菌株中的病毒DNA甚至占據(jù)了染色體的20%的比例。

“事實(shí)上有些細(xì)菌其五分之一的染色體都來自于它的敵人。在我們的研究之前，人們大多忽視了研究這20%的染色體，”Wood說：“他們認(rèn)為這些病毒DNA是靜默且無關(guān)緊要的，對細(xì)胞并沒有什么大的影響。”

Wood說：“我們的研究第一次表明我們需要專注所有的細(xì)菌，關(guān)注它們古老的病毒顆粒，以確定它們是如何影響細(xì)菌當(dāng)前具備的抵抗諸如抗生素之類事物的能力的。如果我們能夠基于這些附加的DNA找到細(xì)菌更加耐受抗生素的機(jī)制，我們或許能夠制造出新型的有效的抗生素。”

推薦原文出處：

Nature Communications   doi:10.1038/ncomms1146

Cryptic prophages help bacteria cope with adverse environments

Xiaoxue Wang,Younghoon Kim,Qun Ma,Seok Hoon Hong,Karina Pokusaeva,Joseph M. Sturino& Thomas K. Wood

Phages are the most abundant entity in the biosphere and outnumber bacteria by a factor of 10. Phage DNA may also constitute 20% of bacterial genomes; however, its role is ill defined. Here, we explore the impact of cryptic prophages on cell physiology by precisely deleting all nine prophage elements (166?kbp) using Escherichia coli. We find that cryptic prophages contribute significantly to resistance to sub-lethal concentrations of quinolone and β-lactam antibiotics primarily through proteins that inhibit cell division (for example, KilR of rac and DicB of Qin). Moreover, the prophages are beneficial for withstanding osmotic, oxidative and acid stresses, for increasing growth, and for influencing biofilm formation. Prophage CPS-53 proteins YfdK, YfdO and YfdS enhanced resistance to oxidative stress, prophages e14, CPS-53 and CP4-57 increased resistance to acid, and e14 and rac proteins increased early biofilm formation. Therefore, cryptic prophages provide multiple benefits to the host for surviving adverse environmental conditions.

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