使细菌变得更有毒性

在发表在《Genome Biology and Evolution》杂志上的一项新研究中，来自北卡罗来纳州立大学的研究人员表明，原生捕食者嗜热四膜虫的存在增加了机会性病原体粘质沙雷氏菌的毒力。

　　

机会性病原体是典型的良性微生物，有时会在免疫系统较弱的个体中引起感染，或者当它们进入身体的无菌区域时。与专性病原体不同，机会性病原体不依赖于宿主感染或传播来生存，因此很难确定驱动这些微生物毒力进化的因素。然而，考虑到它们在免疫功能低下患者中引起严重感染的可能性以及这些物种中多药耐药性的日益普遍，了解驱动其毒力的因素至关重要。虽然研究人员假设原生生物(较大的真核微生物)捕食细菌可能会增加机会性病原体的毒性，但进化实验中存在相互矛盾的证据。在《Genome Biology and Evolution》杂志上发表的一项新研究中，来自北卡罗来纳州立大学的研究人员表明，原生捕食者嗜热四膜虫的存在增加了机会性病原体粘质沙雷氏菌的毒力。这些发现表明，捕食在微生物进化中起着双重作用，既影响细菌猎物的生存策略，也影响其致病潜力。

这项研究由助理研究员Heather Hopkins、研究生Christian Lopezguerra、博士后研究员Meng-Jia Lau和助理教授Kasie Raymann领导，涉及粘质链球菌的实验进化。粘质链球菌是一种广泛存在的细菌，可以产生一种红色色素，这种色素与浴室瓷砖的粉红色薄膜有关。粘质葡萄球菌还可在多种植物和动物宿主中引起机会性感染。在人类中，粘质葡萄球菌通常发生在胃肠道，通常被认为是无害的，但已知它也会在呼吸道和泌尿道引起危险的医院感染。“粘质葡萄球菌能够在如此多不同的宿主和环境中生存，这使它成为研究细菌适应和毒力进化的完美模型，”Raymann指出。“作为博士后，我开始研究粘质链球菌，因为它是蜜蜂的一种机会性病原体，但我很快就对它广泛的宿主范围和在任何地方茁壮成长的能力产生了兴趣，包括我的浴室。”

研究人员用60天的时间进化了粘质链球菌KZ19，这是一种已知会在蜜蜂中引起机会性感染的菌株。其中6个系是在有纤毛嗜热t虫(一种多面手的原生捕食者)存在的情况下生长的，另外6个系是在没有原生生物的情况下生长的。然后，他们对粘质葡萄球菌系以及每系的分离株进行了测序，并对不同种群的基因型和表型变化进行了表征。

令人惊讶的是，在多个进化系中，大量突变发生在同一位点或同一基因上。这些平行突变发生的频率明显高于预期的偶然性，表明所有进化种群都在积极选择以适应各自的环境。“在复制中看到相同的突变是令人惊讶的，能够在如此短的时间内看到它是强大的，”Hopkins说。“这反映了进化是如何不断塑造我们生活的世界的，即使这在日常生活中并不明显。”

许多平行突变发生在单个蛋白-蛋白相互作用网络中，影响BarA-UvrY双组分调控系统中的蛋白和Rcs磷接力系统的三个核心蛋白。BarA-UvrY系统被认为调节毒素的产生、群体感应、运动性和几种代谢功能，而Rcs系统调节运动性、胶囊生物合成、生物膜形成和毒力。根据该研究的作者，这些基因的突变很可能通过改变多个下游基因的表达而产生重大影响。

有趣的是，与没有原生捕食者进化的品系相比，暴露于嗜热t细胞的品系发生的突变类型有一些显著差异。最引人注目的是，受捕食影响的粘质葡萄球菌群体在形成生物膜的基因中表现出了几种突变，生物膜是细菌的组合，它们紧密地附着在表面并被包裹在细胞外基质中。虽然生物膜的形成是对抗捕食的自然防御机制，但生物膜也与毒力和抗微生物药物耐药性密切相关。

为了确定观察到的突变的影响，研究人员评估了每个进化种群中分离物的生长、生物膜形成、捕食抗性和毒力。结果表明，与无捕食者群体相比，暴露于嗜热t虫的粘质葡萄球菌群体表现出更强的捕食抗性和生物膜的形成。值得注意的是，暴露于捕食者的品系也表现出更强的毒性，当蜜蜂被喂食这种细菌时，蜜蜂的死亡率更高。事实上，在这些品系中，捕食抗性和毒力之间存在很强的相关性，这表明捕食可以间接选择或维持机会致病菌的毒力。

虽然这些结果指出了捕食者-猎物相互作用和机会致病菌毒力进化之间的复杂相互作用，但根据Raymann的说法，这项研究只是这个谜题的一小部分，他的总体目标是研究各种环境压力如何影响机会致病菌的进化。涉及更长的进化实验和不同的机会性细菌的研究可能会进一步扩大我们对推动机会性病原体进化和毒性的力量的看法。然而，进行这样的实验并非没有挑战。根据Raymann和Hopkins的说法，潜在的障碍包括将特定突变与其功能角色联系起来，以及解释自然环境中存在的非生物和生物因素的影响的困难。尽管如此，这些研究对于更好地了解机会致病菌和帮助指导开发更有效的治疗策略以对抗细菌感染是必要的。

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