在近期發(fā)表的一項(xiàng)研究中，來(lái)自新加坡國(guó)立大學(xué)(NUS)和倫敦帝國(guó)理工學(xué)院的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了細(xì)菌傳播基因的一種新方式，使它們的進(jìn)化速度比以前所知的要快得多。由新加坡國(guó)立大學(xué)NUS Medicine微生物學(xué)與免疫學(xué)和傳染病轉(zhuǎn)化研究項(xiàng)目助理教授John Chen領(lǐng)導(dǎo)，這些見(jiàn)解可以幫助科學(xué)家更好地了解致病菌如何進(jìn)化并變得越來(lái)越毒力和對(duì)抗生素的耐藥性。

研究人員發(fā)現(xiàn)了一種以前未知的機(jī)制，細(xì)菌通過(guò)噬菌體分享它們的遺傳物質(zhì)。這些見(jiàn)解可以幫助科學(xué)家更好地了解細(xì)菌是如何快速適應(yīng)和進(jìn)化的，以及它們是如何變得更具毒性和對(duì)抗生素具有耐藥性的。

共享遺傳物質(zhì)的能力是微生物進(jìn)化的主要驅(qū)動(dòng)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。噬菌體，細(xì)菌的病毒，可以作為管道，通過(guò)一種被稱(chēng)為基因轉(zhuǎn)導(dǎo)的過(guò)程，使基因從一個(gè)細(xì)菌轉(zhuǎn)移到另一個(gè)細(xì)菌。目前，有三種已知的轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制:一般的、專(zhuān)門(mén)的和側(cè)向的。同樣的研究小組在2018年也發(fā)現(xiàn)了橫向轉(zhuǎn)導(dǎo)，它的效率至少是下一個(gè)最強(qiáng)大的機(jī)制——廣義轉(zhuǎn)導(dǎo)的1000倍。

這種新過(guò)程被稱(chēng)為橫向共轉(zhuǎn)導(dǎo)，這種細(xì)菌進(jìn)化新頻率和速度背后的建筑師是金黃色葡萄球菌致病性島(SaPIs)，這是自私的DNA元件，利用和寄生于噬菌體，通常被發(fā)現(xiàn)整合到金黃色葡萄球菌分離物的染色體中。金黃色葡萄球菌是一種能導(dǎo)致人類(lèi)和動(dòng)物感染葡萄球菌的細(xì)菌。雖然它主要表現(xiàn)為皮膚感染，但如果它擴(kuò)散到血液并感染器官、骨骼或關(guān)節(jié)，就會(huì)危及生命。

倫敦帝國(guó)理工學(xué)院傳染病系教授、細(xì)菌耐藥生物學(xué)中心主任José R. Penadés說(shuō):“這一突破揭示了細(xì)菌進(jìn)化的新途徑。鑒于耐抗生素超級(jí)細(xì)菌的驚人激增，理解驅(qū)動(dòng)細(xì)菌進(jìn)化的機(jī)制變得越來(lái)越重要。”

這個(gè)新發(fā)現(xiàn)的過(guò)程，橫向共轉(zhuǎn)導(dǎo)，在效率方面與橫向轉(zhuǎn)導(dǎo)競(jìng)爭(zhēng)，但在多功能性和復(fù)雜性方面超過(guò)后者。雖然側(cè)向轉(zhuǎn)導(dǎo)只發(fā)生在細(xì)菌基因組內(nèi)的休眠噬菌體被重新激活并在裂解周期中開(kāi)始繁殖時(shí)，但側(cè)向共轉(zhuǎn)導(dǎo)可能發(fā)生在重新激活過(guò)程和新細(xì)菌細(xì)胞的感染過(guò)程中。

此外，與噬菌體犧牲自己的基因來(lái)傳遞細(xì)菌宿主DNA不同，SaPIs可以通過(guò)橫向共轉(zhuǎn)導(dǎo)將自己與細(xì)菌DNA完全完整地轉(zhuǎn)移。這種非凡的能力使它們能夠不斷地重復(fù)這個(gè)過(guò)程，使它們?cè)趥鞑ゼ?xì)菌基因方面更加有力和有效。

Chen助理教授說(shuō):“通過(guò)這項(xiàng)研究，我們已經(jīng)證明細(xì)菌的進(jìn)化速度比我們想象的要快得多。雖然遺傳轉(zhuǎn)導(dǎo)一直是噬菌體的專(zhuān)屬領(lǐng)域，但具有諷刺意味的是，我們的研究表明，地球上最多產(chǎn)的噬菌體可能是目前已知的最強(qiáng)大、最有效的轉(zhuǎn)導(dǎo)劑。”

超級(jí)細(xì)菌的興起要求人們尋找新的方法來(lái)治療耐抗生素菌株。近年來(lái)獲得關(guān)注的一種方法是噬菌體療法，它涉及使用噬菌體消除感染和疾病中的有害細(xì)菌。然而，一些治療性噬菌體不只是對(duì)抗細(xì)菌，還可能成為SaPIs或其他能夠橫向共轉(zhuǎn)導(dǎo)的相關(guān)元件的不知情的幫助者。

根據(jù)Penadés教授的說(shuō)法，“這一過(guò)程可能也發(fā)生在其他各種細(xì)菌身上。這一突破性發(fā)現(xiàn)標(biāo)志著我們對(duì)細(xì)菌進(jìn)化的理解發(fā)生了范式轉(zhuǎn)變，并將極大地影響我們對(duì)抗抗生素耐藥性的方式。”

“它們(噬菌體)可以在短期內(nèi)用來(lái)摧毀細(xì)菌，但從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，最終會(huì)將有害基因傳播給其他細(xì)胞，這可能被證明是災(zāi)難性的。有了這種理解致病生物進(jìn)化機(jī)制的新方法，治療噬菌體在用于治療之前進(jìn)行仔細(xì)審查是很重要的，”Chen助理教授說(shuō)。

Melissa Su Juan Chee, Ester Serrano, Yin Ning Chiang, Joshua Harling-Lee, Rebecca Man, Rodrigo Bacigalupe, J. Ross Fitzgerald, José R. Penadés, John Chen. Dual pathogenicity island transfer by piggybacking lateral transduction. Cell, 2023; 186 (16): 3414