《SCIENCE ADVANCES》：Bacteriophages mobilize bacterial defense systems via lateral transduction
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本研究针对染色体编码的抗噬菌体系统迁移机制不清的科学问题，聚焦噬菌体及PICI介导的侧向转导（LT）主题，发现细菌防御岛常位于噬菌体/PICI附着位点附近，可被高效转移至新宿主，并赋予其噬菌体抗性。该工作揭示了LT是塑造细菌种群结构和病原进化的重要力量，对理解微生物共进化具有里程碑意义。
在微生物世界的无声战场上，细菌与噬菌体（bacteriophages）之间持续上演着军备竞赛。为了抵御噬菌体的入侵，细菌进化出了丰富多彩的防御机制，从限制修饰（Restriction-Modification, R-M）系统到CRISPR-Cas适应性免疫系统。这些抗噬菌体系统（antiphage systems）的一个关键特征是它们的高度流动性——它们可以在细菌种群中被快速获得或丢失，从而使种群能够灵活应对不断变化的病毒威胁。许多防御基因位于质粒、温和噬菌体（temperate phages）等可移动遗传元件（Mobile Genetic Elements, MGEs）上，这解释了其流动性。然而，仍有大量抗噬菌体基因成簇地存在于细菌染色体上，并不在明显的MGEs内部，这些染色体编码的防御岛（defense islands）的迁移机制长期以来一直是个未解之谜。
近年来，一种名为侧向转导（Lateral Transduction, LT）的高效水平基因转移（Horizontal Gene Transfer, HGT）机制被发现。当整合在染色体上的前噬菌体（prophage）被诱导后，在尚未从染色体上切离的状态下即开始进行DNA包装，这会使得噬菌体附着位点（attB）下游的大段细菌染色体DNA被打包进病毒颗粒中，从而实现了远超传统普遍性转导（Generalized Transduction, GT）能力的大片段DNA转移。LT最初在金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）中发现，现已被认为是多种细菌中温和噬菌体的普遍特征。此外，噬菌体诱导的染色体岛屿（Phage-Inducible Chromosomal Islands, PICIs）家族成员也被证明能够介导LT，甚至能进行侧向共转导（Lateral Cotransduction, LcT），即在共存的PICI基因组之间发生重组，将PICI自身与其下游的染色体DNA一同打包转移。
基于这些发现，研究人员提出了一个大胆的假设：LT和LcT可能是动员染色体编码的抗噬菌体系统和防御岛在细菌间传播的关键机制。他们推测，许多免疫基因可能就位于噬菌体或PICI的attB位点下游，从而能够“劫持”LT/LcT过程来实现自身的移动。这项发表在《SCIENCE ADVANCES》上的研究旨在验证这一假设，并深入探索LT在细菌防御系统进化、传播以及病原菌演化中的核心作用。
为开展本研究，研究人员综合运用了多种关键技术方法：利用分子克隆和λ-Red同源重组等技术构建了携带特定选择性标记（如抗生素抗性基因、镉抗性标记）的供体和受体菌株，以精确追踪LT事件；通过丝裂霉素C（Mitomycin C）诱导前噬菌体或PICI，制备转导裂解液，并进行噬菌斑测定和转导效率定量分析，比较LT与GT的效能；采用噬菌体点样试验（spot assay）验证经LT转移的防御系统（如R-M系统）在受体菌中的功能性；通过全基因组测序（Whole-Genome Sequencing, WGS）和比较基因组学分析，确认大片段DNA的转移事件、嵌合菌株/噬菌体的形成，并在大规模基因组数据集中寻找自然条件下LT介导的防御系统转移的证据；运用生物信息学工具（如DefenseFinder, PADLOC）对大量细菌基因组中的防御系统进行鉴定和定位分析，并统计它们与预测的噬菌体整合位点的关联性。
RESULTS
S. aureus防御岛位于噬菌体和PICI attB位点附近
研究以金黄色葡萄球菌为模型，发现其重要的I型R-M系统的甲基转移酶和特异性亚基基因（hsdM/hsdS，如MSA和MSB）位于毒力岛/防御岛vSaα和vSaβ内，且这些岛屿恰好位于前噬菌体Φ11和PICI成员SaPIbov1的attB位点下游。这些岛屿内还聚集了其他抗噬菌体系统，如SMA和Avast type II，表明它们是兼具毒力和防御功能的多功能基因岛。
防御岛可被噬菌体介导的LT动员
实验证明，通过诱导RN4220菌株中的Φ11前噬菌体，可以将位于其attB位点下游、标记基因附近的MSB防御岛高效转移至缺失该系统的受体菌RN4220RΔ(MS)中，其效率高于GT。获得的转导子（transductant）对未甲基化噬菌体Φ85表现出强烈的抗性，证实转移的R-M系统具有完整功能。
通过PICI介导的LT和LcT动员防御岛
类似地，利用缺失小末端酶亚基（terS）的辅助噬菌体80α（80αΔterS）诱导SaPIbov1（其attB位点位于vSaα上游），也能高效地将MSA防御岛转移至受体菌。这表明PICI介导的LT同样是防御系统迁移的有效途径。
LcT通过两种机制提供噬菌体保护
研究进一步区分了SaPIbov1介导的LT和LcT。LT仅转移染色体DNA（如MSA），而LcT则能同时将SaPIbov1自身和下游的染色体DNA（如MSA）共转移至同一受体。功能分析显示，通过LT获得的R-M系统主要防御未甲基化的噬菌体（如Φ85和ΦNM1），而SaPIbov1本身能干扰其辅助噬菌体（如ΦNM1）的繁殖。当通过LcT同时获得MSA和SaPIbov1时，对未甲基化ΦNM1的防御表现出叠加效应，提供了更强的保护。这表明LcT能一次性为受体菌提供多种不同机制的防御能力。
免疫系统转移的多样性增强噬菌体防御
在一个模拟天然条件下（一个菌株携带多个前噬菌体和PICI）的实验中，诱导一个同时携带Φ11（ErmR）、SaPIbov1（TetR）以及位于vSaα（SMA附近）和vSaβ（MSB附近）标记基因的供体菌，会产生一群携带不同组合防御系统的受体菌群体。这证明了LT/LcT能够在种群水平上快速产生免疫系统多样性的能力，使细菌群体能够应对多种噬菌体攻击。
通过LT和LcT在克隆复合体间动员防御岛
研究突破了同一克隆复合体（Clonal Complex, CC）内菌株间基因转移的限制，成功将来自CC8供体菌的MSB（通过Φ11-LT）和MSA（通过SaPIbov1-LT）防御岛转移至多个不同CC（如CC1, CC5, CC133, CC130）的临床分离株中，其效率远高于GT。全基因组测序证实，转移导致了嵌合菌株的产生，受体菌不仅获得了供体的R-M系统等位基因，还获得了相邻的毒素基因和抗噬菌体基因（如Avast type II）。这些嵌合菌株对噬菌体的敏感性发生了改变，例如，一个获得MSA的CC130菌株转导子对原本能在其亲本菌株（携带MSD系统）上繁殖的噬菌体产生了抗性。研究还发现，SaPIbov1可以先通过LT将其自身的甲基化系统（MSA）转移至受体菌，替换掉可能限制其入侵的受体菌原有R-M系统，从而为后续自身的成功转移“铺平道路”，体现了PICI利用LT增强自身传播的智慧。
通过LT和LcT动员防御岛塑造S. aureus基因组结构
对4000多个金黄色葡萄球菌基因组的生物信息学分析发现，不同CC间存在I型R-M系统hsdS基因变体的共享现象，特别是在CC121中发现了来自其他CC的hsdS变体，并且其所在的vSaβ岛侧翼基因内容存在变异，这为自然条件下LT介导的防御岛水平转移提供了强有力的基因组学证据。
在E. coli中通过LT动员防御岛
研究将模型扩展到革兰氏阴性菌大肠杆菌。生物信息学分析显示，在2527个完整大肠杆菌基因组中，72.6%的已鉴定防御系统位于那些在至少一个基因组中被前噬菌体占据的“热点”区域。实验上，利用噬菌体Luc1(+)（其整合位点attB上游有多个已识别的防御热点），成功地将位于attB下游不同距离（最远达260 kbp）的标记基因以及一个完整的I-F型CRISPR-Cas系统（约10 kbp）高效转移至受体菌，效率高于GT。对人类粪便样本的宏基因组数据重新分析也发现，在具有LT特征的被动员基因组支架中存在抗噬菌体基因，进一步证实了LT在自然环境中动员防御系统的普遍性。
LT通过产生嵌合噬菌体促进免疫系统的传播
除了染色体基因，LT还能促进噬菌体自身附属基因（“moron”基因）的多样化。实验将携带抗噬菌体基因pdpSau的80α前噬菌体与携带毒素基因（PVL）的Φ991前噬菌体共处一菌，诱导80α后，通过LT将80α的包装模块和pdpSau基因转移至Φ991基因组中，产生了具有嵌合基因组的功能性噬菌体Φ991α。该嵌合噬菌体获得了针对噬菌体K的抗性。生物信息学分析进一步证实，使用pac机制（能进行LT）的前噬菌体，其包装起始位点（pac/cos）下游至前噬菌体末端的区域，比使用cos机制（不能进行LT）的前噬菌体含有更多的防御基因。类似趋势也见于PICI（SaPI）中，说明LT是驱动MGEs附属基因（包括防御系统）多样化和传播的重要力量。
讨论与结论
本研究揭示了侧向转导（LT）和侧向共转导（LcT）是细菌染色体编码的抗噬菌体系统和防御岛在种群内及不同克隆谱系间高效传播的一种此前被低估的关键机制。防御岛倾向于聚集在噬菌体/PICI整合位点附近的基因组位置，使其能够利用LT/LcT进行“搭车”转移。这种转移不仅能为受体菌快速提供针对噬菌体的免疫能力，其效率远高于传统的普遍性转导（GT），还能导致原有防御系统的替换，从而动态地塑造细菌群体的免疫图谱。
LT/LcT的生态学和进化意义深远。对于细菌宿主而言，这是一种快速获得多样化防御武器库的有效策略，有助于应对复杂的病毒环境。对于介导转移的MGEs（噬菌体和PICI）自身而言，它们也能从中获益：例如，PICI通过LcT与防御基因“同行”，能在新宿主中立即获得保护；它们还可以先通过LT“改造”受体菌的R-M系统，为自身的成功入侵扫清障碍；噬菌体则可能通过增强宿主的适应性来间接保障自身的生存和繁衍。此外，LT还是驱动噬菌体和PICI自身基因组中附属基因（包括防御和毒力基因）多样化的强大引擎，通过产生嵌合体不断创造出新的变异体。
尤为重要的是，本研究揭示了LT/LcT在细菌种群结构形成和病原进化中的核心作用。在不同金黄色葡萄球菌克隆复合体（CC）间转移R-M系统等位基因，会改变受体菌接受外源DNA的能力和其毒力/防御特征，这可能代表了新致病克隆乃至新CC产生的早期事件。基因组学证据支持这种嵌合菌株在自然界中的存在。
总之，这项工作深刻地阐述了噬菌体作为细菌的致命威胁与其作为细菌适应性进化关键推动者之间的双重角色。LT/LcT机制将细菌、噬菌体、PICIs和防御系统紧密地联系在一个复杂的共进化网络中，不仅深化了我们对细菌-噬菌体军备竞赛的理解，也为解释细菌种群动态和病原菌的涌现提供了全新的视角。这些发现对于理解微生物生态、进化以及开发针对病原菌的新策略具有重要的基础意义。
