【LorMe周刊】微生物多样性驱动了细菌以CRISPR系统抵御噬菌体

作者：杨可铭，南京农业大学博士在读。主要研究利用噬菌体防治土传病害。 

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论文ID

原名：Bacterial biodiversity drives the evolution of CRISPR-based phage resistance

译名：微生物多样性驱动了细菌以CRISPR系统抵御噬菌体

期刊：Nature

IF：43.07

发表时间：2019.10

通讯作者：Edze R. Westra

作者单位：英国埃克塞特大学

导读

    表面受体修饰和CRISPR–Cas适应性免疫系统是细菌抵御噬菌体侵染的两种不同方式。前者通过改变受体蛋白，阻止噬菌体吸附，后者能够识别噬菌体基因序列，防止其发挥功能。研究发现自然环境中，大多数为具有CRISPR系统的细菌。而在实验室条件的进化中，细菌通常通过噬菌体受体的突变或丢失而进化出噬菌体抗性。本文通过实验进化学探究了这个现象背后的原因。

细菌生物多样性驱动CRISPR进化

文章中将铜绿假单胞菌PA14与其他三种临床机会性病原菌（金黄色葡萄球菌，布克博德氏菌和鲍曼不动杆菌）共培养，它们都不会被噬菌体感染或发生相互作用。PA14在与其他细菌共培养时，进化出更高水平的CRISPR抗性系统。当PA14与缺少噬菌体受体的突变体共培养时，几乎没有CRISPR。值得注意的是，在鲍曼不动杆菌，新芽孢杆菌和混合群落的存在下，铜绿假单胞菌的密度大大降低，而尽管存在噬菌体DMS3vir，铜绿假单胞菌在与金黄色葡萄球菌竞争的过程中仍主导着该群落（图1b），这表明种间竞争的强度与基于CRISPR的抗性进化水平之间呈正相关。

图1  生物多样性影响了噬菌体抗性进化

生物多样性增强了表面修饰的成本

在存在其他细菌种类的情况下，基于表面修饰的适应性成本会增加。例如，由于细胞表面分子在种间竞争中起作用，这将导致对具有基于CRISPR的抗性的细菌的选择更强。为了检验这一假设，文章在存在或不存在微生物群落的情况下，在一系列噬菌体滴度之间比较了两种抗噬菌体的表型的比例（CRISPR抗性:表面修饰抗性）。在没有微生物群落的情况下，CRISPR抗性细菌适应性更低，表面修饰抗性的适应性更高。但是当添加噬菌体并随着滴度增加时，CRISPR抗性细菌相对于表面修饰抗性细菌的适应性优势逐渐降低了（图2a）。而在其他物种存在下，铜绿假单胞菌基于CRISPR的适应度相对更高（图2b），也就意味着表面抗性的成本更高。

图2  生物多样性增强了与表面修饰相关的适应性成本

具有CRISPR系统抗性的铜绿假单胞菌仍有毒性

进行表面修饰进化时，细菌病原菌对噬菌体抗性的进化通常与毒性的权衡有关，而基于CRISPR的抗性尚无类似权衡的报道。文章中假设噬菌体抗性进化的群落环境可能对铜绿假单胞菌的毒力具有重要的连锁反应。为了验证这一点，他们使用了Galleria mellonella感染模型，该模型通常用于评估人类病原菌的毒力。研究发现，与单一培养相比，存在微生物群落时铜绿假单胞菌毒力的水平更高（图3a）。而表面修饰突变体的运动能力更低，这可能是由于丢失了鞭毛（图3b）。具有CRISPR抗性的细菌与敏感性具有同样的毒力水平，而表面修饰突变体的毒力水平较低（图3c）。

图3  噬菌体抗性进化影响毒力

总结

本文的研究发现与其他细菌共培养时提高了与噬菌体受体突变相关的适应性成本，因而细菌更倾向于CRISPR-Cas适应性免疫进化。同时，只有当铜绿假单胞菌进化出基于表面修饰的噬菌体抗性时，其毒力才会减弱。这表明自然环境中微生物群落的生物复杂性是CRISPR-Cas系统进化的重要驱动力。这样的结果对于我们理解细菌的适应性和毒力进化具有关键意义。

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