细菌的质粒适应度代价

写在前面的
最近参与其他项目而疏于推送。本期推送回到超级细菌专题上。之前的本专题相关推送似乎都在映射当前超级细菌的危害、一些噬菌体也可以辅助细菌的感染。因此，本期推送将从另外一些视角分享细菌的耐药突变。

适应性代价

        适应性代价也叫适合度代价（Fitness cost）。其本质是指当细菌面对逆境时发生了一些突变以适应逆境。但是这些突变本身是有代价的，即突变型的细菌和野生型菌株在消除逆境的条件下相比，突变株在毒力、复制能力甚至是代谢能力等方面都显著弱于原始菌株。因此，这一类突变只能为细菌在对应逆境下存活提供积极作用。
        适应性代价早已被科学家关注到，并且科学家发现适应性代价并不仅仅出现在突变上，同时也存在于质粒上。即质粒本身对于细菌而言可能也存在代价。2021年来自西班牙的科学家发表了一篇关于金黄色葡萄球菌天然质粒的适应性代价进化的研究。

文献信息
题目: Fitness Cost Evolution of Natural Plasmids of Staphylococcus aureus
作者: Pedro Dorado-Morales
期刊: mBio
发表时间: 2021.02.23

研究概括

        质粒为抗性基因在金黄色葡萄球菌菌株之间的传播起到了积极作用。但是目前对于质粒对于临床金黄色葡萄球菌分离株的适应性代价和共进化中质粒在宿主内适应性的研究很少。因此这项研究分析了临床分离的金黄色葡萄球菌菌株内质粒的适应度初始成本。并持续研究了质粒随着时间的推移在宿主内的动态适应过程。最终这项研究发现了一株ST398菌株携带的质粒pUR2940具有显著高的初始适应度成本。该质粒随着宿主的进化中通过发生大片段缺失以补偿其成本。

质粒适应度研究工具简介

        为了研究质粒的适应度，研究人员使用了名为pEMPTY::sgRNA2的工具。该工具中包含一段编码Cas9的蛋白及多个抗生素抗性基因。利用该工具可以准确敲除细菌体内携带的质粒。从而使得研究细菌有无质粒的各种生理特征变得十分便捷。pEMPTY质粒的工作原理是通过转变入细菌后，利用细菌的表达系统表达Cas9蛋白，在sgRNA的引导下以敲除细菌体内原本质粒。随后通过改变温度和抗生素条件使得pEMPTY质粒脱落。具体原理可见下图

图1.pEMPTY质粒特征表征

pUR2940质粒的适应度代偿分析

        通过上述的工具，设计了如下实验研究质粒的适应度代价。并且在随后的研究中研究人员筛选到具有较高适应度代价的质粒pUR2940，为了研究该质粒如何在连续的时间代偿其适应度代价。研究人员的全局实验设计如下

图2.金黄色葡萄球菌适应度代价分析的pUR2940质粒适应度代偿研究实验设计

pUR2940质粒的适应度代价持续研究

        通过前面的实验，研究人员发现了pUR2940质粒具有最高的天然适应度代价（图3）。为了研究这种适应度代价是否会持续影响其进化。进一步研究发现，在无抗生素压力的条件下，pUR2940质粒可以通过重排减轻对宿主的成本。如果不进行重排，在无抗生素环境下子代只有只有不到6%的比例还能继续携带该质粒。这充分说明，pUR2940质粒仅仅在有抗生素的条件下可以对细菌有积极作用。当抗生素环境消失，该质粒对于细菌生长而言是累赘。携带该质粒的细菌个体难以与不携带此质粒的个体竞争。从而使得子代群体中不携带质粒的个体比例越来越多。对于进行重排或发生缺失的pUR2940质粒，子代群体仍然有一定比例携带重组/缺失质粒。

图3.不同质粒的天然适应度代价

讨论

        适应度代价尽管很早引起的科学家注意，但是天然质粒对于细菌的适应度很少被人关注。这一方面是由于没有成熟、方便的技术研究有无质粒对宿主菌适应度的影响。另一方面也是因为主流观点都认为细菌获得质粒，大概率获得了生存优势。通过这一项研究，似乎揭示了任何东西都是有代价的。欲戴其冠，必承其重。同时这一项研究也对临床某些病例予以一定合理的解释：部分患者在使用抗生素治疗时症状得到改善，但是停药后，症状又加剧。这并不是细菌产生了耐药突变。因为如果症状的加剧源于抗生素驱动产生耐药突变，那么在治疗过程中就会产生药物无效的情况。这说明在治疗过程中，一小部分携带了耐药质粒的细菌群体在抗生素逆境下存活。失去抗生素环境后，一部分幸存的不携带耐药质粒的群体恢复生长又成为主要菌群。从而加剧了症状。但是，在作者讨论中他们更加着重强调了他们开发的工具系统。使用这种系统使得研究任意菌的质粒适应性代价成为了可能。

写在后面的
适应性代价为耐药菌的治疗带来了更全面的视角。尤其是全面理解细菌的适应性代价产生的机制，对于建立新型耐药菌治疗方法具有显著的意义。