UV胁迫诱导耐受性驱动同基因大肠杆菌群体的生存异质性

《Scientific Reports》：Induced tolerance to UV stress drives survival heterogeneity in isogenic E. coli cell populations

本研究针对细菌群体在紫外线（UV）胁迫下是否存在预存耐受亚群这一关键问题，通过改良Luria-Delbrück波动实验，系统评估了大肠杆菌对UV胁迫的响应机制。结果表明，UV耐受性主要由胁迫后诱导的DNA修复系统（如SOS响应）驱动，而非预存的“预适应细胞”。此外，序贯低剂量UV照射可通过激活修复机制显著提高细菌存活率，揭示了诱导性耐受在应对累积DNA损伤中的重要作用。该研究为理解细菌非遗传异质性提供了新视角，对控制病原菌环境适应性具有潜在意义。

　　

在微生物世界中，即使遗传背景完全相同的细菌群体，在面对外界压力时也常常表现出“同途殊归”的命运——部分细胞死亡，而另一些却能顽强存活。这种“赌注对冲”策略曾被认为源于少数细胞在胁迫前就已进入特殊的耐受状态（如抗生素持久菌）。然而，当胁迫从抗生素变为紫外线（UV）时，细菌是否仍依赖预存的“精锐部队”来应对？这一问题尚未得到明确解答。

近日发表于《Scientific Reports》的一项研究，通过精巧设计的实验给出了答案。由日本三重大学教育学部生物科学研究团队与美国德拉威尔大学合作完成的研究表明，大肠杆菌（Escherichia coli）对UV的耐受性主要来自胁迫后激活的DNA修复机制，而非预先存在的“预适应细胞”（primed cells）。这一发现刷新了人们对细菌应激策略的认知，为理解非遗传异质性提供了新范式。

关键技术方法概述

研究采用改良Luria-Delbrück波动实验（fluctuation test, FT）与噪声对照（noise control, NC）比较克隆群体存活率变异系数（CV）。使用262 nm UV-LED照射对数生长期大肠杆菌（剂量2.5/6.0 mJ/cm²），通过3M Petrifilm计数存活菌落（CFU）。序贯照射实验设置间隔30分钟暗培养以激活DNA修复。同时以DNA交联剂丝裂霉素C（mitomycin C, MMC）验证结论普适性。

研究结果

1. 1.
   预适应细胞对UV耐受性无显著贡献
   通过比较FT（单细胞来源克隆群体）与NC（随机群体）的存活变异系数发现，即使在高剂量UV（6.0 mJ/cm²，存活率≤0.1%）下，两组CV无显著差异（图3f）。且FT组未出现高耐受亚群（图3d），表明预存耐受细胞并非UV存活主因。MMC实验进一步验证该结论适用于广义DNA损伤剂。
2. 2.
   生长状态非耐受性差异主导因素
   尽管克隆群体光密度（OD₆₀₀）存在波动（图2），但其与存活率无相关性（图3g），排除静止期细胞固有抗性对结果的干扰。
3. 3.
   序贯UV照射激活诱导性耐受机制
   首次低剂量UV（2.5 mJ/cm²）照射后，第二次照射（3.5 mJ/cm²）的实际存活率（5.4×10^-3）显著高于理论随机模型预测值（1.1×10^-3）（图4b）。表明间歇期诱导的DNA修复系统（如SOS响应调控的核苷酸切除修复）有效缓解累积损伤。但该效应存在阈值，当二次剂量升至6.0 mJ/cm²时，保护作用消失。

结论与意义

本研究通过严谨的波动实验证明，大肠杆菌对UV胁迫的生存异质性主要由胁迫后诱导的DNA修复机制驱动，而非预存表型状态。这一“胁迫后诱导”模型与抗生素耐受中报道的“预适应细胞”机制形成鲜明对比，揭示细菌应对不同胁迫源的策略差异性。序贯照射实验进一步凸显可诱导修复系统在缓冲UV损伤中的关键作用，为理解环境微生物适应性进化提供新视角。未来通过单细胞转录组学实时追踪SOS基因（如recA、uvrA）表达动态，将有望直接捕捉诱导耐受的分子足迹。