细菌里的“内斗”有秘密规则——低表达、复制优势型极简质粒最终胜出

从多细胞生物的种群到自私的遗传因素，生物组织水平之间的冲突是进化的核心。质粒是染色体外自我复制的遗传元件，面临来自宿主的选择压力，但也在宿主细胞内竞争复制资源。虽然理论表明细胞内选择对质粒进化有影响，但这些动力学的实验测量仍然难以捉摸。

2025年11月20日，哈佛医学院Michael Baym团队在Science 在线发表题为“Intracellular competition shapes plasmid population dynamics”的研究论文，该研究测量了竞争的大肠杆菌质粒的细胞内适应性，并表征了它们的漂移和选择动力学。

该研究合成了质粒二聚体，它可以以一种可控的方式分裂，以创造平衡的竞争，在实验中对此进行了探索。由于基于甲基化的复制控制，不相容的质粒共存了很长时间。此外，转录活性较低的质粒表现出细胞内优势并优先固定，有利于基因丢失。关键的是，固定依赖于质粒转录和翻译之间的相互作用。总之，该研究结果表明，质粒进化是由细胞内和细胞间动力学驱动的。

从多细胞生物的出现，到社会行为的发展，再到移动遗传元素（MGEs）的传播，生物组织水平之间的冲突构成了广泛的基本进化过程。在质粒-多拷贝、自我复制的MGEs（通常携带抗生素抗性基因）中，质粒的复制速率与其宿主细菌细胞的适应性之间的权衡可能会产生跨尺度冲突。然而，尽管这些权衡在实践和理论上都很重要，但人们对它们的理解却很差。研究人员测量了质粒遗传漂变和选择的细胞内和细胞间成分。然后研究人员展示了它们的相互作用如何影响抗生素耐药性和其他质粒传播特性的进化。

该研究发现，由于半甲基化降低了质粒复制变异性，从而减少了有效竞争，延长了细胞内质粒共发生时间，ColE1样质粒的细胞内遗传漂变发生的速度比预期的要慢。尽管存在这种抑制竞争的作用，但质粒转录活性的增加降低了细胞内的适应性，有利于活性较低的质粒的固定。因此，当质粒携带对宿主细胞有益的抗生素抗性基因（ARG）时，研究人员观察到细胞内适应性（转录不利）和细胞水平适应性（转录有利）之间的权衡。

细胞内竞争形成质粒种群动态（图源自Science ）

因此，ARG+质粒在不断扩大的细菌群体中的传播经历了两个阶段。最初，细菌同时携带ARG+质粒和ARG-质粒，细胞内竞争是主要力量，导致ARG+质粒的频率降低。这个阶段一直持续到随机质粒复制和配种产生一小部分只携带ARG+质粒的细胞。只有这样，在细胞内选择失效的情况下，纯ARG+细胞才能战胜其他细胞，导致ARG+质粒频率的二次增加。此外，研究人员发现ARGs的RBS强度可以通过改变抗生素抗性表型的优势来进一步调节细胞内和细胞间适应度的相对重要性。

总之，该研究证明，细胞内竞争调节了新质粒变异的固定概率，阻碍了新的、高度转录的基因的捕获和传播，这是抗菌抗性质粒进化的限速步骤。此外，细胞内竞争可能促进质粒基因丢失，这解释了隐质粒的丰富，并表明它们可能被武器化以取代抗菌素抗性质粒。更一般地说，该研究证明了选择水平之间的冲突如何导致反直觉的复杂动态，这是进化中主要转变的核心。

参考消息：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adx0665