近日美國德州農工大學化學工程系Artie McFerrin部門的Thomas Wood教授在一項新研究中發現了細菌吸收入侵病毒的異源DNA使之并入到自我調節過程的機制，揭示了自然界最原始的一個免疫系統的奧秘。研究成果發表在《自然通訊》 Nature Communications 雜志上。在論文中作者詳細地描述了在數百萬年的進程中，細菌通過不斷地利用它們的自然界敵人病毒的DNA形成抗生素抵抗能力的機制。

Wood解釋說：“細菌與噬菌病毒之間的斗爭已經持續了數百萬年。在這一過程中病毒總是通過一種方式——入侵到細菌細胞中并將自身整合到細菌的染色體上來實現自我復制。當這種情況發生時細菌通常會生成一份包含病毒顆粒的染色體，隨后病毒會進行自我復制，殺死細菌。這一機制與定時炸彈非常相似。”

然而病毒也會有失手的時候，這是因為細菌染色體內經常發生隨機但卻是大量的突變。整合至細菌染色體中的病毒也可能受到突變的影響從而使其無法進行自我復制并殺死細菌。利用這種新的多變的遺傳物質融合機制，細菌不能戰勝了病毒，并且相比于未摻入病毒DNA的細菌，能夠以更快的效率不斷地繁殖。

“在數百萬年的時間里，病毒成為了細菌的正常組成部分，”Woods說：“它為細菌帶來了新技能、新基因、新蛋白、新的酶等一切的新鮮事物。細菌也在不斷地學習如何從中取益。”

“我們發現利用數百萬年來陷入染色體中的病毒DNA，細菌由此生成了一種新的免疫系統，形成許多新的蛋白使其能夠抵抗抗生素和其他可以氧化細胞的有害物質，例如過氧化氫。這些細菌還獲得了一套新病毒技巧使其不會死亡或是不會快速死亡，”Woods說。

為了了解病毒DNA對于細菌的重要意義，Wood研究小組在研究中應用了一種大腸桿菌菌株。研究人員利用一種“酶剪切”工具除去了細菌染色體上的9個病毒片段（準確地說是移除了16萬6千個核苷酸）。當病毒片段被成功地移除后，研究人員檢測了細菌細胞的改變情況。進而研究人員發現細菌對于抗生素的敏感性顯著增強。

當Wood在大腸桿菌中對這種效應進行研究時，他發現相似的過程以大規模的、廣泛地形式發生著。在幾乎所有的細菌中都發現有病毒DNA，有些菌株中的病毒DNA甚至占據了染色體的20%的比例。

“事實上有些細菌其五分之一的染色體都來自于它的敵人。在我們的研究之前，人們大多忽視了研究這20%的染色體，”Wood說：“他們認為這些病毒DNA是靜默且無關緊要的，對細胞并沒有什么大的影響。”

Wood說：“我們的研究第一次表明我們需要專注所有的細菌，關注它們古老的病毒顆粒，以確定它們是如何影響細菌當前具備的抵抗諸如抗生素之類事物的能力的。如果我們能夠基于這些附加的DNA找到細菌更加耐受抗生素的機制，我們或許能夠制造出新型的有效的抗生素。”

推薦原文出處：

Nature Communications   doi:10.1038/ncomms1146

Cryptic prophages help bacteria cope with adverse environments

Xiaoxue Wang,Younghoon Kim,Qun Ma,Seok Hoon Hong,Karina Pokusaeva,Joseph M. Sturino& Thomas K. Wood

Phages are the most abundant entity in the biosphere and outnumber bacteria by a factor of 10. Phage DNA may also constitute 20% of bacterial genomes; however, its role is ill defined. Here, we explore the impact of cryptic prophages on cell physiology by precisely deleting all nine prophage elements (166?kbp) using Escherichia coli. We find that cryptic prophages contribute significantly to resistance to sub-lethal concentrations of quinolone and β-lactam antibiotics primarily through proteins that inhibit cell division (for example, KilR of rac and DicB of Qin). Moreover, the prophages are beneficial for withstanding osmotic, oxidative and acid stresses, for increasing growth, and for influencing biofilm formation. Prophage CPS-53 proteins YfdK, YfdO and YfdS enhanced resistance to oxidative stress, prophages e14, CPS-53 and CP4-57 increased resistance to acid, and e14 and rac proteins increased early biofilm formation. Therefore, cryptic prophages provide multiple benefits to the host for surviving adverse environmental conditions.

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