“微生物战争：肠道细菌如何利用基因技巧智胜竞争对手”

芝加哥大学的最新研究表明，一个突出的移动遗传元件修改了常见肠道细菌Bacteroides fragilis的抵抗能力。这个元件的获得禁用了B. fragilis的一种强大武器，同时为其提供了一种新的防御策略，保护了获取DNA的菌株。这些防御工具使细菌能在肠道人口稠密的区域中建立存在。

芝加哥大学微生物学教授、Duchossois家庭研究所成员劳里·康斯托克（Dr. Laurie Comstock）多年来一直在研究拟杆菌目及其DNA转移过程中的不同对抗策略。她表示：“这些生物通过DNA转移经历快速进化。这实在是令人着迷。”她指出：“我们知道某些B. fragilis菌株缺乏发射其武器的能力，但当我们发现这是因为它们获得了一个大型移动遗传元件时，我们意识到我们发现了重要的东西。”

该研究题为“普遍存在的移动遗传元件改变了人类肠道共生菌的对抗武器”，已于10月24日在Science上发表。

弹簧发射、带毒尖矛

拟杆菌目中的许多物种能够通过产生有害毒素消灭邻近的细菌。一些毒素从细胞扩散到周围区域，杀死附近敏感的菌株。另一种防御形式是第六型分泌系统（T6SS），它的工作原理类似于一种纳米机器，包含一个装满毒素的尖头、弹簧发射的管子。一旦激活，它就像一支带毒的矛直接将毒素注入邻近的细菌细胞中。

在拟杆菌目中有三种不同的T6SS变体。其中之一，称为遗传结构3（GA3），是B. fragilis特有的，并对其他拟杆菌目物种表现出显著的有效性。另两个变体GA1和GA2与被称为整合性与共轭元素（ICEs）的大型移动遗传元件相关。这些GA1和GA2 ICE在各个人类群体中迅速流动，转移于拟杆菌目物种之间。然而，研究人员还未观察到GA1和GA2 T6SS表现出与GA3 T6SS相同的致命效果。

康斯托克指出，“含有GA1 T6SS的ICE在不同人类群体中迅速传播，并快速转移到个体肠道中的各种拟杆菌目物种。”

康斯托克的团队检查了自然分离的B. fragilis，它们要么拥有GA3 T6SS，要么拥有GA3和GA1 ICE的组合。那些同时拥有两个ICE变体的菌株失去了使用GA3武器的能力，使得它们对其他拟杆菌目无效。为了确认这种变化是由于GA1 ICE的获得，他们将GA1 ICE引入只具有GA3 T6SS的B. fragilis菌株，观察到新菌株（称为“转接合子”）同样无法用GA3 T6SS攻击其他菌株。

团队随后拆除GA1 ICE的组件，以确定116千碱基的ICE中哪个部分导致GA3武器失效。他们发现GA1 T6SS区域的一段，编码GA1纳米机器的膜复合物，抑制了GA3 T6SS的功能。

接下来，研究人员的目标是观察这些菌株在哺乳动物肠道环境中的竞争。他们对无菌（gnatobiotic）小鼠口服接种等量的同源野生型B. fragilis（仅具GA3 T6SS）和GA3/GA1 ICE转接合子。转接合子在小鼠中的竞争中迅速超过了野生型菌株。进一步分析表明，这种竞争成功是由于GA1 T6SS介导的对抗，标志着首次证据证明GA1 T6SS与有效对抗相关。

康斯托克评论说：“我们不确定GA1菌株是否具有竞争力，最初认为祖先GA3菌株会在肠道中占优势。然而，这并没有发生。”

换边防守

实验中的一个意外发现是，在小鼠的肠道中，GA3 T6SS完全缺失。随后的调查显示，在GA1 ICE上的一个基因编码了一种转录抑制因子，能够停止GA3 T6SS的转录。这使得GA1 T6SS的产生增强。

这种DNA元件转移的影响影响了整体肠道微生物群落。携带GA1 ICE的拟杆菌目菌株可以被B. fragilis GA3 T6SS消灭；然而，如果一种菌株能够将其GA1 ICE转移到攻击性的B. fragilis菌株中，则会形成一种可以超越原始B. fragilis菌株的新菌株。这个新形成的菌株不会针对捐赠GA1 ICE的菌株，并且能够利用GA1 T6SS保护群落免受其他侵入性的拟杆菌目菌株。

康斯托克的目标是深入研究这一多样化的转录抑制因子家族，这些因子常出现在拟杆菌目的移动遗传元件上及其对受体菌株的影响。

“这一转录抑制因子家族可以在与特定配体结合后被失活。我们渴望确定肠道中能够解除其抑制作用的配体，”她表示。

这项研究还表明GA1 ICE转移在小鼠肠道中迅速发生，使得转接合子成为常驻种群的重要组成部分。这个见解表明，致力于治疗目的的合成细菌群落的研究人员需要考虑遗传转移的潜在影响。

康斯托克总结道：“当科学家选择细菌以纳入治疗共生体时，必须防范引入可能会转移到这些菌株或从这些菌株转移的任何成分，并可能产生负面影响。”