《Cell》：細菌傳播基因進化并變得越來越毒力

在近期發表的一項研究中，來自新加坡國立大學(NUS)和倫敦帝國理工學院的科學家發現了細菌傳播基因的一種新方式，使它們的進化速度比以前所知的要快得多。由新加坡國立大學NUS Medicine微生物學與免疫學和傳染病轉化研究項目助理教授John Chen領導，這些見解可以幫助科學家更好地了解致病菌如何進化并變得越來越毒力和對抗生素的耐藥性。

研究人員發現了一種以前未知的機制，細菌通過噬菌體分享它們的遺傳物質。這些見解可以幫助科學家更好地了解細菌是如何快速適應和進化的，以及它們是如何變得更具毒性和對抗生素具有耐藥性的。

共享遺傳物質的能力是微生物進化的主要驅動力，因為它可以在瞬間將良性細菌轉化為致命的病原體。噬菌體，細菌的病毒，可以作為管道，通過一種被稱為基因轉導的過程，使基因從一個細菌轉移到另一個細菌。目前，有三種已知的轉導機制:一般的、專門的和側向的。同樣的研究小組在2018年也發現了橫向轉導，它的效率至少是下一個最強大的機制——廣義轉導的1000倍。

這種新過程被稱為橫向共轉導，這種細菌進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，通常被發現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致人類和動物感染葡萄球菌的細菌。雖然它主要表現為皮膚感染，但如果它擴散到血液并感染器官、骨骼或關節，就會危及生命。

倫敦帝國理工學院傳染病系教授、細菌耐藥生物學中心主任José R. Penadés說:“這一突破揭示了細菌進化的新途徑。鑒于耐抗生素超級細菌的驚人激增，理解驅動細菌進化的機制變得越來越重要?！?/p>

這個新發現的過程，橫向共轉導，在效率方面與橫向轉導競爭，但在多功能性和復雜性方面超過后者。雖然側向轉導只發生在細菌基因組內的休眠噬菌體被重新激活并在裂解周期中開始繁殖時，但側向共轉導可能發生在重新激活過程和新細菌細胞的感染過程中。

此外，與噬菌體犧牲自己的基因來傳遞細菌宿主DNA不同，SaPIs可以通過橫向共轉導將自己與細菌DNA完全完整地轉移。這種非凡的能力使它們能夠不斷地重復這個過程，使它們在傳播細菌基因方面更加有力和有效。

Chen助理教授說:“通過這項研究，我們已經證明細菌的進化速度比我們想象的要快得多。雖然遺傳轉導一直是噬菌體的專屬領域，但具有諷刺意味的是，我們的研究表明，地球上最多產的噬菌體可能是目前已知的最強大、最有效的轉導劑?！?/p>

超級細菌的興起要求人們尋找新的方法來治療耐抗生素菌株。近年來獲得關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菌。然而，一些治療性噬菌體不只是對抗細菌，還可能成為SaPIs或其他能夠橫向共轉導的相關元件的不知情的幫助者。

根據Penadés教授的說法，“這一過程可能也發生在其他各種細菌身上。這一突破性發現標志著我們對細菌進化的理解發生了范式轉變，并將極大地影響我們對抗抗生素耐藥性的方式?！?/p>

“它們(噬菌體)可以在短期內用來摧毀細菌，但從長遠來看，最終會將有害基因傳播給其他細胞，這可能被證明是災難性的。有了這種理解致病生物進化機制的新方法，治療噬菌體在用于治療之前進行仔細審查是很重要的，”Chen助理教授說。

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