細(xì)菌對(duì)噬菌體的抗性范文

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《生物技術(shù)通報(bào)雜志》2014年第七期

1噬菌體治療的優(yōu)勢(shì)和難點(diǎn)

與抗生素治療相比較，利用噬菌體治療細(xì)菌性病害有其潛在優(yōu)勢(shì)：噬菌體只針對(duì)其特定的細(xì)菌病原菌作為宿主，因此噬菌體治療專(zhuān)一性強(qiáng)且無(wú)副作用，不會(huì)破壞正常菌群［5，6］；噬菌體的存活和復(fù)制都是依賴(lài)其宿主細(xì)菌，由于噬菌體復(fù)制數(shù)量大周期短，每個(gè)裂解周期都會(huì)產(chǎn)生大量的子代噬菌體，因此噬菌體制劑在治療中用量少，且具有放大效應(yīng)［7，8］。另外，對(duì)于已經(jīng)具有抗生素或化學(xué)農(nóng)藥耐/抗藥性的細(xì)菌性病原菌株系的感染，利用噬菌體治療尤其值得期望。雖然噬菌體治療具有大的潛在優(yōu)勢(shì)，但是在噬菌體治療中也存在難點(diǎn)，尤其是在協(xié)同進(jìn)化中細(xì)菌對(duì)噬菌體產(chǎn)生抗性的問(wèn)題。研究表明，在噬菌體的壓力驅(qū)動(dòng)下，細(xì)菌能通過(guò)多種機(jī)制產(chǎn)生或獲得耐/抗性，包括已經(jīng)報(bào)道的吸附抑制、DNA穿入阻滯、限制-修飾（Restriction-modification，R-M）系統(tǒng)、規(guī)律成簇間隔短回文重復(fù)序列（Clusteredregularlyinterspacedpalindromicrepeats，CRISPR）系統(tǒng)及頓挫感染［9，10］，即使是在細(xì)菌數(shù)量相對(duì)比較小的群體中（如108的細(xì)菌數(shù)量），細(xì)菌能快速的對(duì)噬菌體產(chǎn)生抗性［11］。正因?yàn)槿藗儗?duì)噬菌體治療的優(yōu)勢(shì)及前景的期望，同時(shí)也對(duì)細(xì)菌病原體對(duì)噬菌體抗性的擔(dān)心、噬菌體治療存在的爭(zhēng)議一致持續(xù)著。目前大家關(guān)注的一個(gè)問(wèn)題是，雖然細(xì)菌對(duì)噬菌體產(chǎn)生抗性的機(jī)制和對(duì)化學(xué)抗生素產(chǎn)生抗性的機(jī)制有很大的區(qū)別。但是從長(zhǎng)期治療的角度看會(huì)不會(huì)導(dǎo)致相同的結(jié)果：治療制劑不再能控制耐/抗性細(xì)菌病原菌的繁殖從而導(dǎo)致治療無(wú)效。

2細(xì)菌對(duì)噬菌體抗性問(wèn)題的爭(zhēng)議

在研究過(guò)程中，細(xì)菌對(duì)噬菌體抗性能快速的出現(xiàn)，此后噬菌體治療倡導(dǎo)者們通常利用混合噬菌體的優(yōu)點(diǎn)，在混合噬菌體中包含有多種類(lèi)型的能感染同一種細(xì)菌或同一個(gè)細(xì)菌株系的噬菌體，從而使出現(xiàn)抗性細(xì)菌細(xì)胞的可能性大大降低［12，13］。然而，還有一個(gè)值得關(guān)注的問(wèn)題是，混合噬菌體的廣泛使用是否會(huì)導(dǎo)致抗混合噬菌體的抗性細(xì)菌病原菌株系的產(chǎn)生，也許與抗生素使用結(jié)果相似，在噬菌體制劑使用了幾十年之后，可能出現(xiàn)眾多的細(xì)菌性病原菌對(duì)不同的混合噬菌體產(chǎn)生抗性，導(dǎo)致噬菌體治療的困難［14］。正如Krylov等最近建議，為防止具有廣譜性的混合噬菌體的細(xì)菌出現(xiàn)，在噬菌體治療中最好使用單一的裂解性、特異性感染病原菌的噬菌體。通常認(rèn)為噬菌體驅(qū)動(dòng)細(xì)菌的進(jìn)化［16］，在噬菌體的壓力下，迫使在細(xì)菌群體中產(chǎn)生對(duì)噬菌體具有適應(yīng)性的細(xì)菌，尤其是對(duì)噬菌體具有抗性的細(xì)菌。噬菌體一般宿主范圍比較窄，因此在一定程度上，通常可以用一組特異性的噬菌體來(lái)區(qū)分相關(guān)性很近的細(xì)菌株系。即使是宿主范圍窄，抗性的持續(xù)選擇和經(jīng)常提及的細(xì)菌與噬菌體之間的競(jìng)爭(zhēng)性進(jìn)化，也許可能使得分離有效感染具有多噬菌體抗性的細(xì)菌性病原菌株系變得困難。在循環(huán)的協(xié)同進(jìn)化中，噬菌體能影響細(xì)菌的進(jìn)化。在協(xié)同進(jìn)化中，細(xì)菌能獲得對(duì)噬菌體的抗性，形成對(duì)該噬菌體具有抗性的細(xì)菌，然而隨著協(xié)同進(jìn)化的循環(huán)，噬菌體能重新獲得對(duì)噬菌體具有抗性細(xì)菌的侵染能力，而且，研究表明細(xì)菌回復(fù)到噬菌體敏感型的頻率相對(duì)比較低。細(xì)菌的細(xì)胞表面成分進(jìn)化比較快速，這可能是細(xì)菌細(xì)胞表面成分被噬菌體作為宿主附著點(diǎn)利用的原因，也是細(xì)菌病原菌改變其免疫系統(tǒng)的結(jié)果。研究表明即使在實(shí)驗(yàn)室條件下，細(xì)菌與裂解性噬菌體的競(jìng)爭(zhēng)性協(xié)同進(jìn)化會(huì)加速參與協(xié)同進(jìn)化物種之間的分子進(jìn)化速率。雖然不是所有的噬菌體都能重新獲得感染抗性宿主的能力［18］，在這種協(xié)同進(jìn)化循環(huán)的情況下，只要噬菌體的宿主范圍不斷的演變，至少有一些噬菌體能具有感染細(xì)菌的能力［18］。Ormälä等認(rèn)為，盡管上面提到的細(xì)菌對(duì)噬菌體能快速產(chǎn)生抗性，但是一些研究顯示具有噬菌體抗性的超級(jí)細(xì)菌不太可能出現(xiàn)。首先，在實(shí)驗(yàn)室條件和在自然棲息地情況下，有實(shí)驗(yàn)表明病毒（噬菌體）適應(yīng)進(jìn)化的宿主或者宿主適應(yīng)進(jìn)化的病毒（噬菌體）是周期性的演變。特別是Gomez和Buckling［22］闡述土壤中的細(xì)菌對(duì)當(dāng)代噬菌體的抗性比對(duì)前代或者后代的噬菌體抗性要強(qiáng)。宿主對(duì)噬菌體感染的抗性只是細(xì)菌的一個(gè)暫時(shí)特性。同樣的，噬菌體對(duì)目前的細(xì)菌感染力比對(duì)過(guò)去或者以后的宿主的感染力弱。這表明不會(huì)因此使得只有協(xié)同進(jìn)化的噬菌體才能保持感染它們宿主的能力；反過(guò)來(lái)，這也表明噬菌體選擇不會(huì)驅(qū)動(dòng)遺傳分化，還可以防止其它的噬菌體在特定的宿主中復(fù)制。另外，在很多情況下細(xì)菌獲得噬菌體抗性是有代價(jià)的［23，24］，對(duì)細(xì)菌而言，在其區(qū)域環(huán)境中不再出現(xiàn)的噬菌體，仍然對(duì)其保持噬菌體抗性是明顯不利的［22］。而且，具有噬菌體抗性的細(xì)菌通常缺失具有細(xì)菌性致病力的細(xì)胞表面特征［25，26］。具有噬菌體抗性的細(xì)菌，假使不被噬菌體殺死，大多也變成了無(wú)致病力的細(xì)菌。然而，有時(shí)候一直觀察不到細(xì)菌對(duì)噬菌體產(chǎn)生抗性的代價(jià)［27］，表明至少有些情況下細(xì)菌的抗性表現(xiàn)型可以持續(xù)。

大多數(shù)細(xì)菌被認(rèn)為是在它們目前的環(huán)境中與噬菌體競(jìng)爭(zhēng)的條件下不斷進(jìn)化［11］。盡管這是一個(gè)事實(shí)，即使持續(xù)使用噬菌體致使一個(gè)細(xì)菌群體對(duì)特定的混合噬菌體有了永久性抗性，但是噬菌體感染模式的地理學(xué)研究表明新的感染性噬菌體仍然可以有效的使用。Flores等［28］通過(guò)分析38個(gè)關(guān)于宿主-噬菌體相互作用的獨(dú)立研究，結(jié)果表明噬菌體能感染許多從不同地方分離的宿主細(xì)菌株系，他們指出的噬菌體感染模式暗示“難被感染”的宿主被“通用”噬菌體感染而不是被專(zhuān)一性的噬菌體感染，這表明盡管它們?nèi)狈ψ罱慕佑|，但是噬菌體仍然能保持對(duì)地球另一端宿主細(xì)菌細(xì)胞的感染力。Wolf等［29］研究表明他們?cè)?003年分離到能感染一個(gè)單一的淡水宿主細(xì)胞（鞘氨醇單胞菌）的噬菌體，宿主細(xì)胞是在1985年分離的，而噬菌體是在2003年從相距分離宿主細(xì)胞很遠(yuǎn)的地方分離的。Ormälä等［21］從芬蘭分離的噬菌體中有可以感染20世紀(jì)60年代從不列顛分離的宿主。這些和其它例子表明一個(gè)單一的噬菌體能保持感染世界各地的宿主細(xì)菌，一個(gè)單一的細(xì)菌能作為多個(gè)遠(yuǎn)距離其它地方分離的噬菌體。

3展望

以上關(guān)于噬菌體治療的抗性問(wèn)題爭(zhēng)論中暗示，盡管噬菌體治療廣泛使用，但對(duì)病原菌細(xì)菌而言，不能再發(fā)現(xiàn)具有感染能力的新噬菌體的情況是不太可能出現(xiàn)。從歷史的角度看，噬菌體治療已經(jīng)失敗了一次［30］，我們?cè)俅螄L試的時(shí)候需要小心謹(jǐn)慎。最近Denomy等［31］研究發(fā)現(xiàn)感染綠膿假單胞菌噬菌體編碼的抗CRISPR基因可能是噬菌體克服高度普遍的CRISPR/Cas（規(guī)律成簇間隔短回文重復(fù)序列相關(guān)系統(tǒng)）系統(tǒng)的機(jī)制，抗CRISPR基因的存在為闡明CRISPR/Cas功能性機(jī)制提供了新的方向，并為理解噬菌體和細(xì)菌的共進(jìn)化提供了新的觀點(diǎn)。Seed等［32］研究發(fā)現(xiàn)霍亂菌（Cholerabacteria）的一種噬菌體能“偷走”細(xì)菌的功能免疫系統(tǒng)，并利用它關(guān)閉霍亂菌對(duì)抗噬菌體的防御體系，從而殺死霍亂菌，繁殖更多的噬菌體后代，這樣又能殺死更多的霍亂菌。他們的研究［32］首次證明了這種病毒：噬菌體能夠獲得完全功能性的適應(yīng)性免疫系統(tǒng)，這項(xiàng)研究對(duì)于噬菌體療法而言具有重要的意義。因此，在新的“傳統(tǒng)”抗生素發(fā)展和開(kāi)發(fā)已經(jīng)變得更難的時(shí)候，為了充分利用噬菌體治療的優(yōu)勢(shì)，克服噬菌體治療的難點(diǎn)，使噬菌體制劑治療更具安全性和可控性，在噬菌體的生物特性、噬菌體-細(xì)菌的協(xié)同進(jìn)化、噬菌體-細(xì)菌-宿主三者之間的相互作用關(guān)系等方面需要做更多的研究。

作者：蔡劉體陳興江劉艷霞石俊雄單位：貴州省煙草科學(xué)研究院中國(guó)煙草分子遺傳重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室