《Cell》：细菌传播基因进化并变得越来越毒力

在近期发表的一项研究中，来自新加坡国立大学(NUS)和伦敦帝国理工学院的科学家发现了细菌传播基因的一种新方式，使它们的进化速度比以前所知的要快得多。由新加坡国立大学NUS Medicine微生物学与免疫学和传染病转化研究项目助理教授John Chen领导，这些见解可以帮助科学家更好地了解致病菌如何进化并变得越来越毒力和对抗生素的耐药性。

研究人员发现了一种以前未知的机制，细菌通过噬菌体分享它们的遗传物质。这些见解可以帮助科学家更好地了解细菌是如何快速适应和进化的，以及它们是如何变得更具毒性和对抗生素具有耐药性的。

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。噬菌体，细菌的病毒，可以作为管道，通过一种被称为基因转导的过程，使基因从一个细菌转移到另一个细菌。目前，有三种已知的转导机制:一般的、专门的和侧向的。同样的研究小组在2018年也发现了横向转导，它的效率至少是下一个最强大的机制——广义转导的1000倍。

这种新过程被称为横向共转导，这种细菌进化新频率和速度背后的建筑师是金黄色葡萄球菌致病性岛(SaPIs)，这是自私的DNA元件，利用和寄生于噬菌体，通常被发现整合到金黄色葡萄球菌分离物的染色体中。金黄色葡萄球菌是一种能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，但如果它扩散到血液并感染器官、骨骼或关节，就会危及生命。

伦敦帝国理工学院传染病系教授、细菌耐药生物学中心主任José R. Penadés说:“这一突破揭示了细菌进化的新途径。鉴于耐抗生素超级细菌的惊人激增，理解驱动细菌进化的机制变得越来越重要。”

这个新发现的过程，横向共转导，在效率方面与横向转导竞争，但在多功能性和复杂性方面超过后者。虽然侧向转导只发生在细菌基因组内的休眠噬菌体被重新激活并在裂解周期中开始繁殖时，但侧向共转导可能发生在重新激活过程和新细菌细胞的感染过程中。

此外，与噬菌体牺牲自己的基因来传递细菌宿主DNA不同，SaPIs可以通过横向共转导将自己与细菌DNA完全完整地转移。这种非凡的能力使它们能够不断地重复这个过程，使它们在传播细菌基因方面更加有力和有效。

Chen助理教授说:“通过这项研究，我们已经证明细菌的进化速度比我们想象的要快得多。虽然遗传转导一直是噬菌体的专属领域，但具有讽刺意味的是，我们的研究表明，地球上最多产的噬菌体可能是目前已知的最强大、最有效的转导剂。”

超级细菌的兴起要求人们寻找新的方法来治疗耐抗生素菌株。近年来获得关注的一种方法是噬菌体疗法，它涉及使用噬菌体消除感染和疾病中的有害细菌。然而，一些治疗性噬菌体不只是对抗细菌，还可能成为SaPIs或其他能够横向共转导的相关元件的不知情的帮助者。

根据Penadés教授的说法，“这一过程可能也发生在其他各种细菌身上。这一突破性发现标志着我们对细菌进化的理解发生了范式转变，并将极大地影响我们对抗抗生素耐药性的方式。”

“它们(噬菌体)可以在短期内用来摧毁细菌，但从长远来看，最终会将有害基因传播给其他细胞，这可能被证明是灾难性的。有了这种理解致病生物进化机制的新方法，治疗噬菌体在用于治疗之前进行仔细审查是很重要的，”Chen助理教授说。

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