宿主-质粒间的共进化会促进新型多重耐药性的出现

质粒是细菌中独立于染色体而自行进行复制的DNA片段。它们通常是编码抗生素耐药性的基因的储藏室，同时，结合型质粒能够通过水平基因转移来促进这类基因的扩散。新质粒的获取对于其宿主细胞来说具有很高的代偿（cost），因为与质粒相关的过程会给宿主带来很大的负担，这些过程包括质粒的复制、结合、基因的表达或干扰，伴随着质粒编码蛋白与细胞管家功能间的相互作用。当有抗生素存在时，这些代偿会被质粒编码的抗生素耐药性带来的好处所抵消。而当抗生素不存在时，这些代偿则会使无质粒细胞具有更大的竞争优势。如果在细胞分裂中，由于不合适的分隔而产生质粒丢失，那么在选择性下，这些代偿可能导致群落中质粒携带细胞比例的减少。然而，令人费解的是，质粒编码的抗生素耐药性却常常具有很高的持留性：在群落中，所有细胞最初都含有这一质粒，在不存在抗生素的情况下，几代后依然能够维持高比例的质粒携带细胞。

对于这一“质粒悖论”来说，解决办法包括抵消、破坏或减弱对质粒的选择性。例如，高比例的质粒结合能够将无质粒细胞转变为含质粒细胞，抵消细胞分裂导致的分隔，进一步保持质粒的持留性；较低的分隔损失或与“分隔后杀灭机制”（post-segregational killing mechanism，抑制无质粒细胞的生长）的结合，能够破坏对质粒的选择性。这些机制都是通过抑制竞争者——无质粒细胞，来达到质粒持留的目的。最终，在共进化过程中，宿主染色体或质粒发生的补偿性突变能够减轻质粒导致的代偿，并减弱对质粒的选择强度。

那些能够增强质粒结合、减少分隔损失、或减弱质粒适应性代偿的突变，使得编码抗生素耐药性的质粒在无抗生素的情况下能更好地持留。这些突变能够严格地在原始的共进化背景，或在新产生的宿主-质粒结合下增强质粒的持留性。不管怎样，在微生物群落中，这些突变体都为耐药性在种内和种间的扩散提供了稳定的来源。如果接收质粒的宿主已经具有了对其他抗生素的耐药性，那么质粒的结合将产生新的多重耐药性（MDR）。因此，来自美国华盛顿大学、爱达荷大学和佛罗里达大学的研究人员推测，对于在前期进化中已经保留了编码其他抗生素耐药性结合质粒的细菌群落来说，宿主获得多个不同质粒的可能性会更大，进而引发MDR的出现。

抗生素的使用一直在上升，这导致了具有高度临床意义的菌种内耐药性发生率的升高，这大都集中在肠杆菌科菌种内。这些耐药性通常都是由多个自转移的质粒导致，它们甚至还造就了持续耐受的大肠杆菌和泛耐受的肺炎克雷伯菌。事实上，肺炎克雷伯菌中MDR的进化主要是由对多个耐药质粒的获取所驱动的，在临床爆发事件的克隆株内发现的情况尤其如此。因此，探索在抗生素选择下，进化对随后通过在肠杆菌科群落中水平转移耐药基因的方式获得新型MDR的可能性的影响，显得尤为重要。

为了探究在细菌群落中，质粒动力学如何影响MDR的出现，研究人员建立了包含两个菌种和两种结合型质粒的系统，其中两种质粒分别编码针对不同抗生素的耐药性。为了简化，研究人员关注于质粒负载的代偿，将其作为质粒持留性的决定因素。然而，他们发现质粒结合速率或分隔损失同样起着重要作用。

图1 宿主-质粒间共进化对质粒持留性的影响预测：

抗生素条件下共进化后的宿主，在无抗生素时其质粒持留率升高

根据该系统建立的数理模型，研究人员对宿主-质粒的共进化结果对质粒持留性和MDR出现频率的影响作出了预测：当宿主在无抗生素的情况下增殖时，对于系统中的任一宿主-质粒对，质粒引起的代偿将会影响群落中质粒丢失的速率。如果代偿水平高，重头进行的分隔将会迅速取代含质粒细胞（图1b），造成陡峭的质粒衰减曲线（图1c）；然而在相应抗生素存在的情况下（图1a），进化会导致代偿的减少，进而造成更大的质粒持留性（图1d, e）。

图2 宿主-质粒间共进化对MDR发生率的影响预测：

抗生素条件下分别共进化后的宿主混合后，在无抗生素时其MDR的发生率升高

通过引入第二个宿主-质粒对，研究人员进一步探究了在无抗生素条件下，当两个已进化的、携带不同质粒的菌种混合后，MDR的发生情况。预测结果表明，如果质粒持留性低，MDR的发生率也会变低（图2b, c）。但是，如果每个菌种首先分别与不同的质粒共进化后，再组成群落，那么MDR的发生率将变高（图2d, e）。一旦细胞同时具有了两种质粒，MDR可通过保持两种质粒，或者通过将耐药基因整合在宿主基因组或另一质粒上来得到保留。无论如何，通过创建更多稳定的质粒来源，混合群落中不同宿主类型间的结合机会将会提高，同时也增加了新型MDR的发生率。

参考文献：

Jordt, H., Stalder, T., Kosterlitz, O. et al. Coevolution of host–plasmid pairs facilitates the emergence of novel multidrug resistance. Nat Ecol Evol 4, 863–869 (2020).