《自然微生物学》：突变热点帮助“友好”病毒战胜肠道中的细菌

某些被称为噬菌体的有益病毒可以被利用来对抗最顽固的细菌感染。但为了使噬菌体疗法更有效地应对抗生素耐药性危机，我们首先需要更好地了解细菌如何抵抗噬菌体入侵，以及噬菌体如何反击。在一项新的研究中，研究人员发现了一类常见于人类肠道的噬菌体所使用的反制机制，这种机制帮助它们始终领先于其细菌宿主一步。

每15分钟就有一人死于耐药性超级细菌感染。几十年后，耐药性细菌感染很可能成为全球首要死因，超过癌症。

在应对抗生素耐药性危机的竞赛中，一种已有百年历史的疗法重新引起了人们的关注。这种疗法被称为噬菌体疗法，其原理是利用能够杀死细菌但不会对人体细胞造成伤害的有益病毒。

细菌能够（而且确实会）对噬菌体产生耐药性，就像它们对抗生素产生耐药性一样。但与抗生素不同的是，噬菌体可以进化出自身的防御机制来对抗耐药性。

现在，密歇根州立大学的研究人员发现了一种在人类肠道中常见的噬菌体（称为肠杆菌噬菌体 T2）所使用的反制防御机制，这种机制可以帮助它们始终领先于其细菌宿主一步。

研究人员报告称，这些噬菌体基因组中散布着突变热点，这有助于它们修改关键的防御基因。

在 8 月 13 日发表于《自然微生物学》杂志的一项研究中，他们发现这些突变热点有助于使其后代多样化，从而采用不同的生存策略，确保至少有一些突变体能够继续感染和杀死宿主，无论宿主采取何种反制措施。

“他们实际上是在对冲风险，”合著者克里斯·沃特斯说道，他是密歇根州立大学生态、进化和行为学项目的核心教员。

沃特斯补充说：“如果我们能够利用这些进化技巧，我们或许能够开发出更有效的噬菌体疗法来应对抗生素耐药性危机。”

利用噬菌体进行医学治疗的想法并不新鲜。早在20世纪20年代，人们就开始使用噬菌体混合物来治疗痢疾、败血症、肺炎和其他疾病，尤其是在法国、波兰和前苏联的部分地区。

20世纪40年代青霉素和其他化学抗生素的发现，使西方对噬菌体疗法的兴趣逐渐减弱。但如今，从耐甲氧西林金黄色葡萄球菌到结核病等致命微生物对越来越多的药物产生耐药性，研究人员正在重新审视噬菌体疗法，以对抗耐药性感染。

噬菌体入侵时，会附着在细菌上，并将自身的基因注入细胞内。一旦进入细胞内部，它们就会劫持细菌的内部机制，将其变成病毒工厂，迫使宿主细胞不断生产新的噬菌体，直到细胞破裂并释放出噬菌体。

为了抵御这些攻击，细菌也有自己的应对策略。研究人员在研究其中一种策略——霍乱弧菌中的一种系统——时，发现了一些奇怪的现象。此前，他们发现霍乱弧菌中存在一组基因，这些基因能够识别入侵噬菌体的DNA，并在噬菌体入侵之前将其切割掉。但有趣的是，这种抗病毒保护机制并没有持续很长时间。

第一作者Jasper Gomez在密歇根州立大学微生物学、遗传学和免疫学系 Waters 实验室攻读博士学位期间完成了这项工作。

在实验中，研究人员将编码霍乱弧菌保护系统的DNA转移到大肠杆菌（一种更容易在实验室操作的细菌）中，然后将这些细菌暴露于噬菌体。不久之后，这些经过改造的大肠杆菌就遭到了攻击。换句话说，噬菌体迅速找到了绕过宿主防御机制的方法，使它们能够潜入并劫持受害者的??细胞。

“几个小时之内，噬菌体总是开始占据上风，”沃特斯说。“我们不明白为什么，”他补充道。

研究人员对耐药噬菌体的 DNA 进行了测序，发现许多噬菌体在名为agt的基因中存在“拼写错误” ，尤其是在重复 DNA 区域，该区域中相同的字母或核苷酸碱基在基因序列中多次出现。

“当我看到数据时，我心想，我的天哪，”沃特斯说。该区域类似于一种被称为“应急位点”的突变热点。沃特斯表示，这种基因组区域在其他生物体中已有深入研究，但在噬菌体中从未发现过。已知细胞DNA复制机制有时会在这些区域“出错”。

结果是，每次产生新的噬菌体时，它们产生的并非其祖先噬菌体的精确基因副本。一些抗性突变体在agt基因中获得了一个额外的重复单元，而另一些则失去了一个，从而扰乱了基因指令的读取方式。

研究人员发现，重复区域的突变积累速度比基因组的其他部分快数千倍。

沃特斯说，虽然突变通常是有害的，但这种易变性却能赋予噬菌体进化优势。通过不断产生新的突变体，它们增加了至少部分突变体携带某种突变的概率，这种突变使它们能够逃避或解除宿主不断变化的防御机制。

沃特斯说：“这改变了我们对噬菌体进化方式的理解。它们不再劫持宿主来大量复制自身，而是利用这些突变热点来建立自己的‘动物园’。”

噬菌体的数量大约是细菌的十倍，是地球上数量最多的生物。研究人员重点关注一种潜伏在肠道中的噬菌体，这种噬菌体专门攻击大肠杆菌，但实际上，从撒哈拉沙漠的沙丘到北冰洋的冰层，几乎任何地方都能找到噬菌体。

该团队与密歇根州立大学微生物进化专家杰弗里·巴里克合作，在其他噬菌体物种的基因组中也发现了数百个类似的突变热点。

接下来，研究人员正在研究这些突变热点是否能让噬菌体在其他情况下获得优势，例如在环境发生变化后适应并利用其细菌宿主，或者进化以感染新型细菌。

在美国、英国和其他许多地方，噬菌体疗法仍远未普及；监管障碍使其只能作为最后的治疗手段。与此同时，沃特斯和密歇根州立大学的其他研究人员正在探索噬菌体疗法在临床之外的潜在应用，以治疗从蜜蜂、农作物到宠物和牲畜等各种生物的细菌感染。

沃特斯说：“密歇根州立大学可以成为兽医和农业应用领域一个很棒的噬菌体治疗中心。”

他补充说：“我们永远无法彻底消除耐药性。但如果我们能更好地了解细菌如何保护自己免受噬菌体感染，以及噬菌体如何反击，我们或许就能最大限度地减少耐药性。”

参考文献

Phage-encoded contingency loci enable bet-hedging against host defence mechanisms