撰文 | 望夜
细菌与噬菌体间的军备竞赛是进化的主要驱动力。噬菌体感染常导致细菌裂解，于是细菌基因组编码免疫系统，阻止噬菌体繁殖。上述系统通常位于可移动基因元件（MGE）中，即细菌染色体上富含宿主防御基因的特定部位【1】，包括质粒、综合共轭元件（ICE）、噬菌体、噬菌体卫星、或防御岛。细菌往往通过水平基因转移（HGT）获得这些元件，因其可提供选择优势【2】；但也带来适应性成本，故一个细菌最终带有的元件数目是有限的【1】。
有趣的是，理论上噬菌体也可调动上述防御机制。噬菌体为何进化出限制自身繁殖的机制呢？英国伦敦皇家学院的José R. Penadés课题组认为，噬菌体可利用MGE编码的防御系统对不相关噬菌体和其他MGE发动先发制人的打击。上述策略很可能是由噬菌体诱导染色体岛（PICIs）介导的，因为它们片段短（10-15kb）、高度可移动、广泛分布于革兰氏阳性和阴性细菌中【3】。当缺少辅助噬菌体时，整体抑制子的表达会抑制大部分PICI基因【4】，PICI仅被动停留在细菌染色体中。而一旦辅助噬菌体感染或诱导后，其编码的蛋白会结合PICI抑制子，激活PICI循环【5】，导致PICI删除、复制、或包装入噬菌体样颗粒中，促使PICI在同一或不同基因组间频繁转移【6】。这说明，PICI的循环需要辅助噬菌体，想要促进PICI转移就要付出允许复制噬菌体复制的代价。
2022年8月18日，José R. Penadés课题组在Cell上发表了文章Bacteriophages benefit from mobilizing pathogenicity islands encoding immune systems against competitors。尽管此前研究很少认为PICI与细菌免疫防御相关，但在该研究中，Penadés课题组在PICI中鉴定出已知和全新的免疫系统，它们可为带有PICI的细菌提供保护，且不依赖于辅助噬菌体对PICI系统的激活。作者还发现辅助噬菌体可以调动上述PICI系统对抗其竞争者（如其它MGEs），这一发现改变既往对噬菌体和PICI互作关系的认知，使两者关系由严格寄生转变为互利互惠，同时也为细菌间免疫系统高频交换提供直接的机制证据。
作者选取的研究对象是PICI中研究最为充分的金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）的毒力岛SaPIs【7】。在研究其中一种SaPlpT1028时，作者观察到该PICI可阻断多种噬菌体感染金葡菌，而且并非所有被阻断的噬菌体都编码SaPlpT1028的诱导物Sri，暗示这种阻断效果不依赖于SaPlpT1028循环的激活。利用β-内酰胺酶报告基因系统验证，发现确有噬菌体（Φ2339和Φ96）不诱导SaPlpT1028。
接着，作者希望鉴定SaPlpT1028中的哪个基因负责阻断噬菌体感染。由于SaPI的辅助基因常位于其5’或3’端【8】，作者推测是位于SaPlpT1028 5’端的ORF5，因为后者编码一个带有MazF结构域的蛋白，含有该结构域的II型毒素-抗毒素核糖核酸酶具有包括噬菌体防御在内的多种功能【9】。而单独表达ORF5足以阻断Φ2339感染，说明它的确是一种类似MazF的核糖核酸酶。因此，作者发现一种新的抗噬菌体系统，其表达不依赖于SaPI循环，将其命名为SMA（单蛋白Maz-F样抗噬菌体系统）。
但由于SaPlpT1028也编码经典的SaPI-介导的干扰机制，接下来需要确认阻断效果是由SMA还是经典的SaPI劫持机制介导的？为此，作者构建两株分别单独产生上述机制的金葡菌株，其一失活掉Sma蛋白，其二仅带有SaPlpT1028最小基因岛，仅可表达sma基因。对上述两个菌株进行噬菌体侵染实验，结果显示Φ2339和Φ96噬菌体的感染仅在表达Sma的菌株中被阻断，由此确认SMA独立负责阻断上述噬菌体的感染。作者进一步确证，Sma表达不影响细菌生长，其广谱抗噬菌体的能力并非由细胞毒性引起。此外，由于几乎所有金葡菌株都是溶原性的【10】，作者还测试并确认SaPlpT1028可以阻断前噬菌体（prophage）形成感染性颗粒。
作者随后扩大分析范围，希望在已知的SaPIs中寻找更多抗噬菌体系统，发现若干候选靶标：通常位于基因岛5’端的Sma同源蛋白，存在于SaPI4和SaPI5中不完整的感染系统AbiF，存在于ST121菌株C SaPI中的RexAB-样系统，及SaPI5中同时存在的病毒毒力基因和防疫系统。此外，作者还试图在已知功能的SaPI辅助基因中发现全新的抗噬菌体系统，并在腐生葡萄球菌（S. saprophyticus）SS413菌株一个基因岛的3’端，鉴定出一个潜在的系统。该系统包含两个未鉴定基因，其一包含HEPN结构域，其二含有预测的跨膜结构域，称为HEPN-TM系统。同时表达两个基因并进行抗噬菌体活性测试，发现它们可提供对3种噬菌体的保护，因此HEPN-TM也是一种新型的抗噬菌体系统。
前面分析的都是革兰氏阳性菌，那么革兰氏阴性菌的PICIs是否也可作为免疫系统？作者确实在肺炎克雷伯菌（K. pneumoniae）、费氏埃希菌（E. fergusonii）、大肠杆菌（E. coli）的PICIs中找到19个可能的免疫系统，Kp菌株FDAARGOS_1313甚至带有两种不同的PICI，编码不同的免疫系统。作者发现这些系统中既有已知的防御系统，也有未鉴定的系统，如SDH_sah、DUF3307、GIY-YIG核酸酶。作者选取12个推测的免疫系统，测试其对抗噬菌体的能力，发现其中11个至少具备对一种噬菌体的抗性。更重要的是，作者发现这些系统大多针对的是其它菌种的噬菌体，且某些PICI带有不止一种抗噬菌体系统。
上述系统如何阻断无关噬菌体的感染呢？作者发现PICI编码的反转录子（retron）系统可感知噬菌体编码的蛋白或与其发生互作，特别是那些在不同噬菌体中执行相同功能的蛋白。此外，作者还发现，可阻断噬菌体感染的革兰氏阴性菌PICI编码的免疫系统大多也可阻断前噬菌体形成感染性颗粒，即，作者发现一系列PICI编码的抗噬菌体系统，可同时阻断温和噬菌体的两个生命阶段。
接下来，作者希望确认PICI是否可以阻断其它PICI的转移。作者首先获得仅含E. coliPICIs（EcCICFT073或EcCIEDL933）的裂解液，将其感染不同E.coli菌株，发现测试的12种系统中有4种可以显著阻断PICI的转移，这是不同PICI间进行生态竞争的新模式。更进一步，作者还发现这些可以阻断PICI转移的系统，如Abi_C样和HsdR-样系统，还可以阻断质粒接合（conjugation）。因此，PICI编码的免疫系统具有广谱作用范围，可靶向不同MGE（噬菌体、PICI、及接合型质粒）。因此，作者发现PICI的一项新功能——在细菌进化中限制自然发生的HGT。
PICI免疫系统还有其他什么功能么？还真有。作者分析不同系统出现时是否会影响转导颗粒的产生，发现当供体细胞中存在免疫系统时转导颗粒的产生严重减少，影响涉及普遍性转导【11】及侧向转导【12】。
读文至此，不禁要问PICI动员上述防御系统的目的究竟是什么？
为回答这个问题，作者首先确认这些带有PICI的免疫系统确实可以被动员，而且动员后的PICI（SaPIpT1028）仍保留初始功能，转移至易感菌株后也可为其提供噬菌体抗性。其次，作者发现当共感染细菌时，辅助噬菌体与其相应的SaPI在受体细胞中共定位。作者还确认当SaPIpT1028与噬菌体80α共转移时，可保护80α溶源菌免受其它噬菌体感染，从而同时为80α前噬菌体和细菌宿主提供保护作用。此外，作者通过测序在最初发现SaPIpT1028的菌株NY940【13】中鉴定到一个前噬菌体Sushi，发现Sushi可高效动员SaPIpT1028，共转移SaPIpT1028可为Sushi溶源菌提供接近100%的保护效果。这说明，SaPIpT1028可被相应的辅助噬菌体高效动员，并为含有Sushi的菌株提供保护效果。类似地，作者发现前述HEPN-TM系统也可保护含前噬菌体的溶源菌免受其它噬菌体的侵染。在革兰氏阴性菌中，PICI编码的免疫系统也可保护溶原型噬菌体免受裂解型噬菌体的攻击。作者还更进一步发现，辅助噬菌体和PICI可融入一个带有前噬菌体的革兰氏阴性菌株，当被诱导后，PICI编码的免疫系统只会攻击原有的前噬菌体而不针对辅助噬菌体。所以答案就是：一些噬菌体巧借PICI编码的抗噬菌体免疫系统攻击入侵噬菌体，同时保护该噬菌体本身及宿主菌株。
作者最后还证实，SaPIpT1028可在同种细菌的不同菌株或不同物种间穿梭，为受体菌株提供抵抗其它噬菌体感染的保护效果。
总结全文，噬菌体诱导染色质岛（PICIs）可编码多种免疫系统，这些系统可提供对多种可移动遗传元件的抗性，阻断水平基因转移；而辅助噬菌体可以巧妙地利用可移动PICI保护自身及其原核宿主免受其它竞争噬菌体和其他移动遗传元件的攻击。这表明，细菌、PICIs和辅助噬菌体间是一种复杂的互惠关系，共同驱动细菌的生态与进化。
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.cell.2022.07.014
制版人：十一
参考文献
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