Science：重磅！细菌抗生素耐药性获得途径---侧向转导

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噬菌体是感染细菌并寄生在它们内部的病毒。这些噬菌体能够通过一种称为遗传转导（genetic transduction）的过程将DNA从一个细菌转移到另一个细菌中。这被认为是细菌进化和获得抗生素耐药性和毒力因子的主要手段，其中这些毒力因子加快新的和致病性逐渐增加的菌株出现。到目前为止，人们已经知道两种遗传转导机制：普遍性转导（generalized transduction）和特异性转导（specialized transduction, 也称局限性转导）。60多年来，自从美国科学家和诺贝尔奖获得者Joshua Lederberg发现这两种机制以来，它们一直是遗传转导的唯一机制。

在一项新的研究中，来自新加坡国立大学、苏格兰格拉斯哥大学、苏格兰爱丁堡大学和西班牙埃雷拉红衣主教大学的研究人员发现了第三种遗传转导模式。这种称为侧向转导（lateral transduction，也称横向转导）的新模式似乎是迄今发现的最有效的转导手段，能够在极高的频率下将大片段细菌染色体（长几十万个碱基）在细菌之间转移。相关研究结果发表在2018年10月12日的Science期刊上，论文标题为“Genome hypermobility by lateral transduction”。论文通信作者为格拉斯哥大学的José R. Penadés和新加坡国立大学的John Chen。

图片来自Science, doi:10.1126/science.aat5867。

当噬菌体感染细菌细胞时，它通常以两种方式之一进行繁殖：（1）溶菌周期（lytic cycle），在此期间，噬菌体繁殖并裂解细菌细胞，从而导致新的噬菌体颗粒释放；或者（2）溶原周期（lysogenic cycle），在此期间，噬菌体DNA整合到宿主基因组中并与宿主基因组一起复制。在溶原周期中，某些刺激能够触发噬菌体DNA将其自身从宿主基因组中切除下来，与蛋白一起包装成新的噬菌体颗粒，经历成熟后裂解宿主细胞。溶菌周期和溶原周期中释放出来的噬菌体随后能够感染其他的细菌并转移它们的DNA（除了噬菌体自身的DNA外，也包括来自宿主细胞的DNA）。

相比之下，在这项新的研究中，这些研究人员发现，当噬菌体在它们的生命周期后期延迟切除时，侧向转导就会发生。在这种情形下，噬菌体启动DNA复制，同时它们仍然是宿主基因组的一部分，这会导致多个整合在宿主基因组中的噬菌体基因组出现。随后DNA包装能够在一些噬菌体基因组上启动，从而导致细菌染色体DNA包装和转移到其他细菌，而其他的噬菌体基因组从宿主基因组中切除下来并导致正常的噬菌体成熟。

Chen说，“通过将宿主基因组的一部分转化为能够以极高的频率在其边界内转移任何遗传元件的高移动性平台，侧向转导扩展了可移动遗传因子（mobile genetic element）的概念，远远超出了对可移动遗传因子的现有定义。”

发现这种高效的基因转移模式可能有助于解释细菌的快速进化，比如多药耐药菌株的产生。Chen观察到，“噬菌体是迄今为止地球上最为丰富的生物实体，并且遗传转导作为微生物进化的主要驱动因素之一的重要性从未像发现侧向转导那样明显。”（生物谷 Bioon.com）
参考资料：

John Chen1,*,†, Nuria Quiles-Puchalt2,*, Yin Ning Chiang et al. Genome hypermobility by lateral transduction. Science, 12 October 2018, 362(6411):207-212, doi:10.1126/science.aat5867.

Alan R. Davidson. A common trick for transferring bacterial DNA. Science, 12 October 2018, 362(6411):152-153, doi:10.1126/science.aav1723.