Sci Adv丨噬菌体与整合性接合元件协同驱动细菌耐药传播和适应性变化的新机制

近日，南京农业大学动物医学院王丽平教授、黄金虎教授、马家乐副教授联合动物科技学院刘金鑫教授团队，在Science Advances发表题为Phage–ICE tandems facilitate bacterial adaptation and antimicrobial resistance spread的研究论文。该研究揭示了噬菌体（Phage）与整合性接合元件（integrative and conjugative element，ICE）在细菌基因组中串联共存并协同传播的分子机制，发现了噬菌体整合酶与ICE接合系统的功能互补关系，以及常规切除环化途径受限时依赖同源重组的替代传播途径。研究进一步表明，这种遗传物质转移不仅促进耐药基因传播，还可通过基因组重塑影响受体细菌的应激适应能力，为理解细菌耐药传播与适应性变化之间的联系提供了新的机制认识。

抗微生物药物耐药性（antimicrobial resistance，AMR）是威胁全球公共卫生和动物健康的重大问题。耐药基因能够通过水平基因转移在不同细菌之间传播，而可移动遗传元件（mobile genetic elements，MGEs）是这一过程的主要载体。传统认识认为，噬菌体主要通过转导介导遗传物质转移，ICE则依赖接合系统实现细菌之间的DNA传递。然而，不同遗传元件在细菌染色体上可能相邻整合，形成结构复杂的串联元件。这些元件能否通过功能协作实现整体转移，以及这种协作是否会进一步改变受体细菌的遗传结构与生物学特性，是亟待阐明的关键科学问题。

围绕这一问题，研究团队以重要人兽共患病原猪链球菌（Streptococcus suis）为研究模型，结合比较基因组学、遗传学操作、接合转移实验和全基因组测序等技术，系统解析了噬菌体与ICE形成的Phage–ICE串联元件的结构特征、传播途径及其生物学效应。

图1. Phage–ICE串联元件的结构组成及耐药基因和毒力基因分布

研究首先揭示了噬菌体与ICE之间独特的功能互补机制。Phage–ICE串联元件由噬菌体和ICE在染色体特定整合位点相邻排列形成，两类元件虽然保留各自的遗传结构和功能模块，却能够协同完成遗传物质转移。研究发现，噬菌体编码的整合酶不仅参与噬菌体自身的切除与环化，还能够促进相邻ICE及完整Phage–ICE串联元件的切除环化，形成可供接合转移的环状DNA中间体；随后，ICE编码的接合转移系统介导这些遗传物质在细菌之间传播。这种功能互补使噬菌体、ICE及完整串联元件能够以不同形式进行水平转移。进一步研究发现，DNA损伤胁迫可影响元件的切除环化过程，且不同排列方向的串联元件表现出差异化响应，揭示了其结构组成与传播行为之间的联系。

更重要的是，研究发现Phage–ICE串联元件并不完全依赖常规切除环化途径进行传播。当噬菌体整合酶活性降低、环状转移中间体难以有效形成时，噬菌体及Phage–ICE相关DNA片段仍可通过自然转化进入受体细菌，并依赖RecA介导的同源重组整合至受体染色体。研究通过DNA酶处理、关键基因缺失及全基因组测序等实验验证了这一替代途径。与整合酶介导的位点特异性重组不同，同源重组能够引起不同长度的供体DNA片段替换、插入及染色体结构重排。这一发现表明，噬菌体与ICE的协同作用不仅拓展了遗传元件的传播方式，也使耐药基因转移与宿主基因组重塑相互关联。

研究进一步揭示了这种基因组重塑所产生的生物学效应。通过细菌竞争实验、氧化应激实验和转录组分析，团队发现，部分经同源重组获得外源遗传片段的受体菌株表现出更强的竞争能力和过氧化氢耐受能力。进一步分析表明，这些变化并非简单源于获得新的氧化应激耐受基因，而是与大尺度染色体片段重组及宿主基因表达调控改变有关。其中，水通道蛋白相关基因ｇla等氧化应激响应基因的表达发生显著变化，重组菌株的细胞内过氧化氢积累也明显降低。这表明，水平基因转移的生物学后果并不仅限于获得新的耐药基因，还可能通过改变细菌原有的基因组结构与调控网络，影响其环境应激适应能力。

在机制研究基础上，研究团队进一步对NCBI RefSeq数据库中约32万份微生物基因组开展系统分析，鉴定出612个Phage–ICE相关元件，分布于7个细菌门、135个物种，涉及链球菌、铜绿假单胞菌、金黄色葡萄球菌和肠球菌等多类重要病原菌。这些元件具有多样化的结构组成和整合位点，并携带具有宿主谱系特征的耐药、毒力及代谢相关基因。特别是在部分临床重要病原菌中，Phage–ICE元件同时携带耐药和毒力相关遗传决定簇，提示这类复合遗传结构可能是多种重要功能基因共同传播的潜在载体。

本研究从“切除环化—接合转移—同源重组”三个相互关联的过程，阐明了噬菌体与ICE协同介导遗传物质传播及影响细菌适应性的分子机制。其中，噬菌体整合酶促进转移中间体形成，ICE接合系统介导细胞间传播，而同源重组则为常规切除环化受限时的遗传物质转移提供替代途径，并可进一步引起受体基因组重塑。这些发现拓展了对不同可移动遗传元件功能协作关系的认识，揭示了耐药传播与细菌适应性变化之间的重要联系，也为进一步研究耐药基因传播风险及探索针对遗传元件转移过程的干预策略提供了理论依据。

图2 Phage–ICE串联元件互作模式图

论文共同第一作者为黄金虎教授、博士生赵佳琪和占鹏超、博士后代兴杨；刘金鑫教授、王丽平教授、马家乐副教授、黄金虎教授为共同通讯作者。博士后泮欣铭、博士生赵文斌、东部战区空军医院李振淼老师、动物医学院王晓明副教授、动物科技学院毛胜勇教授和时晓丽老师参与了研究。

原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aed3416

制版人： 十一

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