Science：肠道细菌转移基因，使竞争对手的武器失效

细菌在人类肠道中通过共享遗传元素而迅速进化。细菌门是一个多产的肠道细菌目，它交换了数百种遗传元素。然而，人们对这些DNA转移对细菌或宿主的适应性的影响知之甚少。

芝加哥大学的一项新研究表明，一个巨大的、无处不在的可移动基因元素改变了脆弱拟杆菌（一种人类肠道常见细菌）的拮抗武器。这种元素的获得关闭了脆弱芽孢杆菌的一种强有力的武器，但却为它提供了一种新的武器，从而保护了捐赠DNA的菌株。这些武器可以帮助细菌在肠道紧密堆积的凹槽中找到壁龛。

Laurie Comstock博士是芝加哥大学微生物学教授和Duchossois家族研究所的成员，也是这项新研究的资深作者，他已经研究了10多年杆菌的不同拮抗机制以及它们转移DNA的方式。“这些生物通过DNA转移迅速进化。这太神奇了，”她说。“我们知道一些脆弱B. ilis菌株不能发射它们的武器，但当我们看到这是由于获得了一个大的可移动遗传元素时，我们知道我们发现了一些有趣的东西。”

这项名为“一种无处不在的移动基因元素改变了人类肠道共生体的对抗武器”的研究发表在10月24日的《科学》杂志上。

一种装有弹簧的带毒矛

许多拟杆菌科可以通过产生毒素杀死邻近的细菌。其中一些毒素只是从细菌细胞扩散到周围环境中，杀死附近的敏感菌株。另一种武器是VI型分泌系统（T6SS），这是一种纳米机器，内含一个装有毒素的弹簧管。当它发射时，它会将毒素直接注射到邻近的细胞中，就像带毒的矛一样。

拟杆菌T6SS有三种不同的类型或基因结构。一种是遗传结构3 (GA3)，它是脆弱芽孢杆菌所独有的，对其他拟杆菌科物种非常有效。另外两种类型，GA1和GA2，是由包含在称为整合和共轭元件（ICEs）的大型移动遗传元件上的基因编码的。这些GA1和GA2 ice在世界各地人类肠道内的拟杆菌门物种之间迅速转移。然而，科学家们还没有观察到GA1和GA2 T6SS具有与GA3 T6SS相同的致命效力。

“含有GA1 T6SS ICE的ICE在人群中迅速传播，并迅速转移到人体肠道内的许多拟杆菌科物种中。”

研究小组开始研究具有GA3 T6SS或同时具有GA3和GA1 ICE的天然脆弱杆菌分离株。拥有这两种ice的人不再发射GA3武器，也不再能杀死其他细菌科物种。为了证明这是由于在这些菌株中添加了GA1 ICE，他们将GA1 ICE转移到仅含有GA3 T6SS的脆弱芽孢杆菌菌株中，并表明由此产生的新菌株或“转接合物”同样无法对抗其他具有GA3 T6SS的菌株。

然后，研究人员删除了GA1 ICE的部分，以观察116千碱基ICE的哪个区域关闭了GA3武器。他们发现编码GA1纳米机器膜复合体的GA1 T6SS区域的一部分阻止了GA3 T6SS的激活。

接下来，研究小组想看看这些菌株在哺乳动物肠道中的竞争情况。他们用等量的等基因野生型脆弱双球菌（仅GA3 T6SS）和GA3/GA1 ICE转接合子口服接种了非生物（无菌）小鼠。在小鼠体内，这种杂交菌株很快就胜过了野生型菌株。研究人员继续表明，这种竞争是由于使用GA1 T6SS的拮抗作用，这是GA1 T6SS首次证明了有效的拮抗作用。

“我们不知道含有GA1的菌株是否会产生拮抗作用，所以我们认为GA3的祖先菌株会在肠道中赢得这场战斗。但事实并非如此。”

换边防守

这个实验最意想不到的发现是，在小鼠的肠道中，GA3 T6SS根本就没有产生。他们后来发现，GA1 ICE上携带的一个基因编码一种转录抑制因子，这种转录抑制因子可以关闭整个GA3 T6SS的转录，从而使GA1 T6SS更好地产生。

这种DNA元素转移的总体效果对肠道微生物群落有影响。含有GA1 ICE的拟杆菌属菌株被脆弱芽孢杆菌GA3 T6SS杀死，但如果其中一个菌株能够将GA1 ICE转移到攻击的脆弱芽孢杆菌菌株中，它们就会产生一种胜过脆弱芽孢杆菌祖菌株的菌株。这种新菌株不再以供体菌株为目标，也可以利用GA1 T6SS共同保护生态系统免受其他拟杆菌属菌株的入侵。

康斯托克计划继续研究这个多样化的转录抑制因子家族，这些转录抑制因子经常携带在拟杆菌属的移动遗传元件上，以及它们对受体菌株的影响。

“这个转录抑制因子家族在结合特定配体时可以失活。我们很想确定肠道中抑制它们活动的配体，”她说。

该研究还表明，在小鼠肠道中，GA1 ICE转移发生迅速，帮助转共轭子成为种群的很大组成部分。这表明，为治疗创造细菌合成联合体的研究人员需要考虑遗传转移的影响。

“当细菌被选择作为生物治疗药物纳入联合体时，重要的是要防止将任何可能产生有害影响的东西转移到这些菌株中或从这些菌株中引入。”