Science：细菌和古菌多重抗性系统抵御噬菌体和外来质粒

摘要

细菌和古菌极易受到病毒（噬菌体）的侵染，因而进化出了多种复杂的特异抗噬菌体机制，这些机制被称为原核生物的“免疫系统”。虽然关于细菌抗噬菌体的研究已经有数十年的历史，但是仍然有大量未知的非模式细菌抗性基因系统有待探索。这篇文章通过检测在原核生物中已知的抗性基因周边的基因家族全面表征了细菌的防御性基因库。经过系统设计和模型验证，候选的防御系统被证实具有抗噬菌体活性。文章报道了九种以前未知的抗噬菌体系统和一种在微生物中广泛分布并强有力对抗外来质粒入侵的保护系统。

试验设计

本研究分析了>45000个细菌和古菌的基因组（总编码>1.2亿个基因）中的14083个蛋白家族（pfams），以一种流水线式的抗性基因系统检测方式开展。筛选到候选的抗性基因组之后，将这些候选的抗性基因组导入模式菌中，再利用不同的噬菌体进行侵染试验，验证抗噬菌体活性。

“防御岛”上的候选抗性系统

在对每一个蛋白组的研究中，发现其编码基因往往不是孤立存在而是集群存在的，同时在周边还有多个候选的抗性基因（相当于预备军）。在进一步选择测试中发现超过65%的已知抗性基因组周边都存在着候选的抗性基因，而且存在于不同的抗性激发状态下。

图2  候选抗性基因系统的发现

检测新的抗性系统抗噬菌体活性

利用流程试验进行抗性活性验证。将待测的系统基因克隆到枯草芽孢杆菌（B. subtilis）和大肠杆菌（E. coli）中。利用肌尾、长尾、短尾和无尾四种噬菌体进行侵染测试，结果显示35%的基因至少对一种噬菌体具有抗性，1/2的阳性控制显示出抗性活性。这些抗性系统由1-5个基因（2-12kb长度）组成，有的针对特定科的噬菌体，而有的则显示出广谱抗性，编码包含了三个相关的跨膜蛋白和多个跨膜螺旋。

图3  候选抗性系统活性检测

Zorya抗性系统

经过上面的试验我们已经知道了在已知的抗性系统周边其实还存在着大量的候选抗性基因系统（预备军），接下来则更加关注每一个筛选到的系统的功能分析。Zorya系统就是其中之一，存在于已知的受体限制修饰基因系统，侵染流产基因系统和CRISPR系统的周边区域。该系统分为Ⅰ型和Ⅱ型，二者的基因位点和组成不同，这两种基因型可能是为了应对不同的抗性激发状态。尽管在第一代侵染中噬菌体成功侵染，但超过80%的噬菌体子代中都含有了Zorya基因，且在之后液体培养中侵染完全失败，这证明了Zorya介导的抗性系统涉及了侵染细胞死亡或相关代谢基因的激活。在对Ⅰ型系统进一步研究中发现4个组成基因中每一个基因都是必不可少的，每一个基因的缺失都会丧失对噬菌体的抗性（图4E）。这其中涉及了解旋酶基因序列区域，可能是当基因缺失时（4个）导致三磷酸腺苷（ATP）水解，进而导致防止噬菌体侵染的功能丧失。

图4  Zorya抗性系统

外来质粒的抗性系统

在试验中发现了一些抗性区域的抗性基因虽然对噬菌体并不具有抗性，但是对外来质粒具有抗性作用。Wadjet就是这样一个抗质粒系统。在枯草芽孢杆菌的抗性测试中，它对噬菌体完全没有抗性，但有效降低了游离质粒pHCMC05的转化效率，表明Wadjet是一个针对外来质粒入侵的防御系统。

图5  Wadjet -质粒抗性系统

总结

研究者本来是希望通过筛选发现更多的针对噬菌体的抗性系统，但是在研究过程中不仅发现大量新的噬菌体抗性系统，还发现了对于外来质粒的抗性系统。同时，这些抗性系统也不是孤立存在的，而是以集团形式存在，不光有已知区域的抗性系统，在未知功能区域也存在着大量候选抗性系统。同时，利用抗性基因作为分子工具也是现在研究中的一大热点，本研究中大量新的抗性系统的发现也是未来分子工具应用的一个大的突破。不论是对于抗性系统的发现还是未来分子工具研究的拓展方面都具有里程碑式的意义。

原名：Systematic discovery of antiphage defense systems in the microbial pangenome.

译名：微生物全基因组中噬菌体抗性系统的发现

期刊：Science(2018)

IF：41.037

发表时间：2018.01

通讯作者：Sorek R

通讯作者地址：魏茨曼科学研究所