"機(jī)會(huì)"在抗生素耐藥細(xì)菌出現(xiàn)中的作用

Konstantin Severinov 實(shí)驗(yàn)室的研究人員描述了機(jī)會(huì)在細(xì)菌獲取和維持稱為質(zhì)粒的小 DNA 分子的過(guò)程中的作用。質(zhì)粒上的基因使細(xì)菌對(duì)抗生素產(chǎn)生抗藥性，為了對(duì)抗這種危險(xiǎn)現(xiàn)象，有必要考慮研究中確定的模式。

Skoltech 已經(jīng)確定了該病例在出現(xiàn)對(duì)抗生素有抗藥性的細(xì)菌中的作用

該作品發(fā)表在 PNAS 上。質(zhì)粒是小的環(huán)狀 DNA 分子。一旦進(jìn)入細(xì)菌細(xì)胞，它們就會(huì)利用其資源進(jìn)行自我繁殖并傳播給子細(xì)胞。細(xì)胞能夠在 CRISPR-Cas 防御系統(tǒng)的幫助下對(duì)抗質(zhì)粒。

CRISPR-Cas 的名稱反映了該系統(tǒng)的兩個(gè)關(guān)鍵組成部分。CRISPR是一種細(xì)菌以前遇到過(guò)的外來(lái)DNA樣本數(shù)據(jù)庫(kù)。它們用于識(shí)別重新入侵的噬菌體病毒或質(zhì)粒。然后，這種外來(lái) DNA 會(huì)被 Cas 蛋白破壞。

以前，人們認(rèn)為，當(dāng)被 CRISPR-Cas 系統(tǒng)識(shí)別時(shí)，質(zhì)粒要么很快被破壞，要么改變（突變）它們的 DNA，使其對(duì) CRISPR-Cas 不可見(jiàn)。也就是說(shuō)，質(zhì)粒無(wú)法承受與 CRISPR-Cas 的直接對(duì)抗。

“我們已經(jīng)證明情況并非總是如此，”該研究的第一作者、Skoltech 博士生 Viktor Mamontov 說(shuō)?！笆聦?shí)是 CRISPR-Cas 可以在單位時(shí)間內(nèi)消除有限數(shù)量的質(zhì)粒分子。由于質(zhì)粒 DNA 不斷被復(fù)制，因此對(duì)于每一對(duì)“質(zhì)粒靶向 CRISPR-Cas”，這兩個(gè)相反方向的過(guò)程的速率都會(huì)相互平衡。如果建立了這種平衡，那么質(zhì)?？梢怨潭ㄔ诩?xì)胞中，而不會(huì)積累額外的突變?！?/span>

數(shù)學(xué)模型表明，一小部分捕獲質(zhì)粒的細(xì)胞偶然會(huì)自發(fā)地與 CRISPR-Cas 平衡。Mamontov 解釋說(shuō)：“雖然當(dāng)單個(gè)質(zhì)粒進(jìn)入細(xì)胞時(shí)，它幾乎沒(méi)有機(jī)會(huì)逃避 CRISPR-Cas 的保護(hù)，但如果它‘幸運(yùn)’，它可以有時(shí)間在 Cas 蛋白破壞它之前進(jìn)行繁殖。這不僅創(chuàng)造了質(zhì)粒在具有抵消它們的 CRISPR-Cas 系統(tǒng)的細(xì)胞中穩(wěn)定存在的可能性，而且還為質(zhì)粒 DNA 中發(fā)生隨機(jī)保護(hù)性突變提供了額外的機(jī)會(huì)，這將完全將其從 CRISPR 的作用中去除。 -卡斯?！?/span>

“如果我們從質(zhì)粒在單個(gè)細(xì)胞內(nèi)生存的斗爭(zhēng)轉(zhuǎn)移到細(xì)胞群的水平——例如，在培養(yǎng)皿上生長(zhǎng)的細(xì)胞群——那么我們?cè)谶@里也設(shè)法做出了意想不到的觀察，”馬蒙托夫說(shuō). — 可以假設(shè)，在含有抗生素的營(yíng)養(yǎng)培養(yǎng)基上生長(zhǎng)的菌落中，所有細(xì)胞都將含有帶有抗生素抗性基因的質(zhì)粒，盡管 CRISPR-Cas 系統(tǒng)存在反對(duì)意見(jiàn)。

事實(shí)證明，情況并非如此：大多數(shù)細(xì)胞根本沒(méi)有質(zhì)粒，而是在抗生素存在的情況下存在，代價(jià)是極少數(shù)細(xì)胞已在質(zhì)粒和 CRISPR-Cas 之間達(dá)到穩(wěn)定平衡。正是這些稀有細(xì)胞讓其余細(xì)胞在抗生素存在的情況下得以存活?！?/span>

“顯然，抗生素抗性細(xì)胞通過(guò)在它們周圍創(chuàng)造安全空間來(lái)幫助其他細(xì)胞。一小部分帶有質(zhì)粒的細(xì)胞就足以滿足整個(gè)人群的需求，”Mamontov 說(shuō)?？茖W(xué)家們說(shuō)，質(zhì)粒隨機(jī)繞過(guò) CRISPR-Cas 的保護(hù)作用并達(dá)到平衡位置的能力使細(xì)菌種群更加穩(wěn)定，增加了其多樣性。單個(gè)細(xì)胞可以攜帶在當(dāng)前條件下不需要的質(zhì)粒，當(dāng)條件發(fā)生變化時(shí)，它可能會(huì)變得有用，甚至可以拯救種群免于滅絕。

作者提出的模型包括質(zhì)粒在單個(gè)細(xì)胞和細(xì)胞群中分布的上述特征，并將允許開(kāi)發(fā)從病原菌細(xì)胞中去除抗生素抗性質(zhì)粒的方法。不同國(guó)家的科學(xué)家正試圖為此目的調(diào)整 CRISPR-Cas 系統(tǒng)：按照計(jì)劃，他們將能夠剝奪特別危險(xiǎn)的抗性細(xì)菌的帶有抗生素抗性基因的質(zhì)粒。如果不了解 CRISPR-Cas 和質(zhì)粒之間相互作用的復(fù)雜性，就不可能創(chuàng)建這樣的工具。