子科生物報(bào)道：2021年1月22日，中國科學(xué)院南海海洋研究所王曉雪團(tuán)隊(duì)在《美國科學(xué)院院刊》（PNAS）在線發(fā)表了題為“接合型質(zhì)粒編碼的毒素/抗毒素系統(tǒng)PrpT/PrpA直接調(diào)控質(zhì)?？截悢?shù)”（Conjugative Plasmid-Encoded Toxin-Antitoxin System PrpT/PrpA Directly Controls Plasmid Copy Number）的研究論文，系統(tǒng)闡述了質(zhì)粒編碼的毒素/抗毒素系統(tǒng)調(diào)控質(zhì)粒復(fù)制功能的發(fā)現(xiàn)和作用機(jī)制。
質(zhì)粒是存在于細(xì)菌染色體之外具有獨(dú)立復(fù)制能力的遺傳元件。接合型質(zhì)粒除了編碼復(fù)制、分配和接合轉(zhuǎn)移系統(tǒng)以外，往往還攜帶毒力基因和抗性基因。接合型質(zhì)粒介導(dǎo)的水平基因轉(zhuǎn)移是細(xì)菌耐藥性（包括碳青霉烯、多粘菌素等）快速擴(kuò)散的重要途徑。尤其關(guān)鍵的是，這些質(zhì)粒能夠在不存在抗生素的環(huán)境里依然穩(wěn)定存在于細(xì)菌中，并進(jìn)一步介導(dǎo)抗性基因的傳播。因此，接合型質(zhì)粒的穩(wěn)定性機(jī)制是臨床感染研究中關(guān)注的熱點(diǎn)。
毒素/抗毒素系統(tǒng)（Toxin/Antitoxin System, TA）是最早發(fā)現(xiàn)具有穩(wěn)定質(zhì)粒功能的二元系統(tǒng)。TA系統(tǒng)在1983年發(fā)現(xiàn)存在于接合型質(zhì)粒上，在功能上被認(rèn)為通過“分離后致死效應(yīng)“（Post-segregational killing, PSK）來維持質(zhì)粒的穩(wěn)定性。在PSK理論中，當(dāng)質(zhì)粒在細(xì)胞分裂過程中由于復(fù)制或分離錯(cuò)誤發(fā)生丟失時(shí)，在不含質(zhì)粒的子代細(xì)胞中，相對(duì)穩(wěn)定的毒素蛋白會(huì)由于失去抗毒素的中和作用發(fā)揮出毒性抑制細(xì)胞的分裂或直接殺死細(xì)胞，從而達(dá)到在群體中維持質(zhì)粒穩(wěn)定存在的目的。ParDE系統(tǒng)是最早支持PSK理論的研究模型之一。
隨著基因組測(cè)序技術(shù)的發(fā)展，大規(guī)模的臨床和環(huán)境微生物基因組分析發(fā)現(xiàn)接合型質(zhì)粒上富集大量TA系統(tǒng)。2000年坎特伯雷大學(xué)Heinemann研究團(tuán)隊(duì)在PNAS文章中提出了PSK理論的不足，認(rèn)為質(zhì)粒上TA系統(tǒng)的富集是質(zhì)粒與質(zhì)粒間競爭的結(jié)果，而并非是通過PSK機(jī)制來實(shí)現(xiàn)的。因?yàn)镻SK理論很容易通過在模式細(xì)菌中異源表達(dá)TA來證實(shí)，因此一直被廣泛用來作為解釋質(zhì)粒上富集TA系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)，但僅用異源表達(dá)的手段來研究TA的功能存在局限性，容易忽視TA系統(tǒng)的多樣性生物學(xué)功能。
研究團(tuán)隊(duì)在前期的工作中，發(fā)現(xiàn)海洋細(xì)菌中攜帶一個(gè)接合型質(zhì)粒，能夠穩(wěn)定存在并保持1個(gè)拷貝/細(xì)胞。接下來為了研究質(zhì)粒的穩(wěn)定機(jī)制，對(duì)質(zhì)粒上編碼基因進(jìn)行了功能的研究。分析發(fā)現(xiàn)，這個(gè)質(zhì)粒編碼一對(duì)II型TA系統(tǒng)PrpT/PrpA，其中PrpT是ParE類家族毒素，而PrpA是功能未知的新穎抗毒素。意外的是，敲除prpA-prpT后，質(zhì)粒的穩(wěn)定性并沒有受影響。反而，質(zhì)粒的拷貝數(shù)出現(xiàn)了顯著的異常升高。基因回補(bǔ)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了這一點(diǎn)。在機(jī)制方面，發(fā)現(xiàn)是其中的抗毒素PrpA直接調(diào)控了質(zhì)粒的拷貝數(shù)，并且PrpA直接結(jié)合質(zhì)粒復(fù)制起始區(qū)上的重復(fù)子序列（iterons），以濃度依賴的方式競爭性的阻礙質(zhì)粒復(fù)制蛋白R(shí)epB對(duì)復(fù)制起始區(qū)的結(jié)合，避免質(zhì)粒的過度復(fù)制。
研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)抗毒素蛋白與質(zhì)粒的復(fù)制蛋白一起來維持質(zhì)粒的低拷貝數(shù)，這與敲除TA后質(zhì)粒出現(xiàn)高拷貝的表型是一致。與PSK理論強(qiáng)調(diào)的TA系統(tǒng)在質(zhì)粒分離后發(fā)揮作用不同，研究結(jié)果證實(shí)TA系統(tǒng)可直接參與質(zhì)粒的復(fù)制過程，是質(zhì)粒上TA系統(tǒng)的新功能。對(duì)IMG數(shù)據(jù)庫的TA系統(tǒng)進(jìn)行比對(duì)研究，這一類TA系統(tǒng)的豐度明顯高于ParDE系統(tǒng)，并且參與PrpA抗毒素調(diào)控質(zhì)粒復(fù)制的結(jié)構(gòu)域在臨床耐藥菌的質(zhì)粒上廣泛存在。結(jié)合本文的研究我們可以推測(cè)，細(xì)菌和古菌中廣泛分布的TA系統(tǒng)通過多種途徑發(fā)揮多樣的生物學(xué)功能。
研究員團(tuán)隊(duì)的尼松偉博士和李百元博士為論文共同第一作者，王曉雪研究員與王鵬霞副研究員為論文共同通訊作者。本研究工作得到國家杰出青年科學(xué)基金、基金委水圈微生物重大研究計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目、面上項(xiàng)目、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃以及中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)等項(xiàng)目的共同資助。

原文標(biāo)題：Conjugative Plasmid-Encoded Toxin-Antitoxin System PrpT/PrpA Directly Controls Plasmid Copy Number