Nature：重大进展！揭示细菌反转录子编码毒素蛋白，阻止噬菌体传播

自从反转录子（retron）在20世纪80年代首次被发现以来，它们就一直让科学家们感到困惑，他们只是想知道这些细菌DNA序列究竟发挥什么作用。如今，在一项新的研究中，来自欧洲分子生物学实验室（EMBL）的研究人员确定，一些反转录子编码毒素蛋白，所编码的毒素蛋白在一个较小的DNA片段的帮助下保持没有活性。当细菌病毒（也就是噬菌体）攻击细菌时，这个小的DNA可以感知这种攻击并释放出这种毒素蛋白。相关研究结果于2022年7月18日在线发表在Nature期刊上，论文标题为“Bacterial retrons encode phage-defending tripartite toxin–antitoxin systems”。

论文共同通讯作者EMBL微生物生态系统与感染生物学横向主题联合主席Nassos Typas说，“细菌染色体含有数百种不同的功能未知的毒素/抗毒素系统，它们可能会被利用来抑制噬菌体，而我们的发现提供了一种方法来了解它们如何做到这一点。”

简单地说，反转录子编码一种叫做逆转录酶的酶，这种酶以小RNA为模板，产生多拷贝单链DNA（multicopy single-stranded DNA, msDNA）。尽管科学家们知道这种msDNA是如何在许多细菌中产生的，但它的功能和在细胞中的作用一直是个谜。在2020年6月，Typas团队以及以色列魏茨曼科学研究所的Sorek团队在一个开放获取的预印本库网站中发布了他们的独立研究。

论文第一作者Jacob Bobonis说，“30多年来，我们不知道为什么细菌会有反转录子，因为没有任何表型与缺乏反转录子或msDNA的细胞有关。”

但当Typas团队的一名前成员发现一条重要的线索---表型---时，新的信息就出现了。他们发现一种致病细菌沙门氏菌如果不制造msDNA就不能在较低的温度下生长。该团队随后与德克萨斯农工大学的Helene Andrews-Polymenis实验室和她当时的博士后Johanna Elfenbein合作。他们一起发现，无法制造msDNA的沙门氏菌细胞对缺氧也很敏感，这使它们无法在奶牛的肠道中定植。

虽然这种表型本身并没有显示出反转录子的特殊免疫防御能力，但它给了科学家们一个进一步研究反转录子的起点。Bobonis解释说，“我们很快意识到，反转录子虽然更加复杂，但看起来与细菌中称为毒素/抗毒素系统的其他系统非常相似。”

许多细菌在它们的基因组中含有数百个毒素/抗毒素系统。一个基因编码一种有毒的蛋白（毒素），可以阻止细菌的生长，但是解毒剂（抗毒素）就位于这个“有毒”基因的旁边。当这两者共存时，细菌就会快乐地生长。但是，如果以某种方式移除解毒剂，毒素就会变得活跃，并抑制细菌生长。

Bobonis说，“类似地，在我们的研究中，我们有编码用于制造msDNA的逆转录酶的反转录子，如果我们剔除它，‘毒素’就被激活。我们意识到，msDNA与逆转录酶一起形成了一类新的抗毒素。但我们仍然想知道，是什么‘开关’天然触发了这种生长抑制复合物。”

对于所有的染色体毒素/抗毒素系统来说，这些天然开关（触发器）几十年来一直难以捉摸。EMBL团队决定调查单个基因是否可以作为开关。他们提取了数千个细菌基因，并在EMBL实验室中使用机器人设置逐一过表达，以测量它们是否能触发毒素来抑制细菌生长。

最终，利用遗传学、蛋白质组学、生物信息学，并在EMBL其他团队（Savitski、Zeller和Bateman研究团队）的帮助下，他们解析了这个机制，发现噬菌体蛋白如何激活以及阻断这些系统。他们甚至发现反转录子可以在单细胞水平上挫败噬菌体的入侵。

Bobonis解释说，“想象一下，你有10个细菌，一个噬菌体进入并感染了其中的一个细菌。噬菌体自我复制了数百次，最终使细菌细胞破裂，使噬菌体从受感染的细菌细胞中溢出，并继续感染其他九个细菌细胞（如果细菌在此期间进行了复制，则更多）。在这种情况下，细菌群体被杀死。在一个存在反转录子被噬菌体激活的细菌细胞中，最初受到感染的细菌细胞会枯萎，但噬菌体也会枯萎，因为它需要细菌的分子机器来进行复制。没有最初被感染的细菌，噬菌体就会摇摇欲坠，因而反转录子保护了剩下的细菌。”

科学家们一直在寻求使用噬菌体来治疗人类的细菌感染。他们称之为“噬菌体疗法”，在过去的几年里，随着抗生素因抗药性问题使得抗生素变得不那么有效，这个方向的研究已经急剧增加。这项基础研究补充了现有的知识体系，有助于推动这方面的研究工作。

毒素/抗毒素系统，图片来自Toxins, 2016, doi:10.3390/toxins8020049。

这项新研究的一个重要成果是EMBL团队完善了一种基于遗传学的方法：毒素激活/抑制共轭（Toxin Activation/Inhibition Conjugation, TAC/TIC）。如今，其他科学家们也可以进一步了解是什么触发了其他成千上万的未表征的毒素/抗毒素系统。挖掘微生物功能的巨大多样性，发现微生物与包括它们的捕食者（噬菌体）在内的环境相互作用背后的新机制是EMBL的新微生物生态系统横向主题的核心。

Typas说，“由于这些是细菌的内部自杀系统，了解它们的触发开关意味着我们有一个角度来设计人工毒素触发器，以便从外部激活毒素并杀死细胞。随着有效的抗生素变得稀缺，治疗耐抗生素的病原菌迫切需要这样的新策略。EMBL感染生物学横向主题旨在更好地理解抗菌素耐药性，并找到遏制、预防、逆转或绕过它的新方法。”（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

1. Jacob Bobonis et al. Bacterial retrons encode phage-defending tripartite toxin/1 antitoxin systems. Nature, 2022, doi:10.1038/s41586-022-05091-4.

2. The retron switch
https://www.embl.org/news/science/the-retron-switch/