Science：用于治疗抗生素耐药性的噬菌体通过破坏竞争对手的增殖能力而获得优势

历史上，隐藏在各生命界基因组中的一些奇怪的DNA片段一直被忽视，因为它们似乎在生存竞争中没有发挥作用。这些 DNA 片段被称为“自私的遗传因子”，因为据科学家们所知，它们的存在只是为了增殖和传播自己，而不会给宿主生物带来任何好处。它们被视为基因搭便车者，无足轻重地代代相传。

在一项新的研究中，来自加州大学圣地亚哥分校的研究人员提供了新的证据，表明这些 DNA元件可能并不那么自私。相反，它们似乎在竞争生物之间的动态关系中起着相当重要的作用。相关研究结果发表在2024年7月5日的Science期刊上，论文标题为“An intron endonuclease facilitates interference competition between coinfecting viruses”。

具体而言，他们研究了噬菌体中自私的遗传因子。他们吃惊地发现，称为“可移动内含子（mobile intron）”的自私遗传因子为病毒宿主在与其他病毒竞争时提供了明显的优势：噬菌体已将可移动内含子武器化，以破坏竞争噬菌体的增殖能力。

论文共同第一作者、加州大学圣地亚哥分校分子生物学系博士后学者Erica Birkholz说，“这是首次证实自私遗传因子能够为其入侵的宿主生物带来竞争优势。理解自私的遗传因子并不总是纯粹的‘自私’，对于更好地理解所有生命王国中的基因组进化具有广泛的意义。”

几十年前，生物学家就注意到自私遗传因子的存在，但无法确定它们在帮助宿主生物生存和增殖方面发挥的任何作用。在这项着重关注“巨型（jumbo）”噬菌体的新研究中，他们分析了两种噬菌体共同感染一个细菌细胞并相互竞争时的动态。

他们仔细观察了核酸内切酶，即一种作为 DNA 切割工具的酶。他们的实验表明来自一种噬菌体可移动内含子的核酸内切酶会干扰竞争噬菌体的基因组。因此，这种核酸内切酶如今被视为一种战斗工具，因为有记录表明，它能切割竞争噬菌体基因组中的一个重要基因。这就破坏了竞争噬菌体适当组装自己的后代并进行增殖的能力。

Birkholz说，“这种武器化的内含子核酸内切酶为携带它的噬菌体提供了竞争优势。”这些作者表示，由于共同感染中的持续竞争，这一发现在病毒间的进化军备竞赛中尤为重要。

图片来自Science, 2024, doi:10.1126/science.adl1356

论文共同第一作者、加州大学圣地亚哥分校生物科学学院研究生Chase Morgan说，“我们能够清楚地确定这种产生优势的机制，以及这种优势是如何在分子水平上发生的。这种自私遗传因子之间的不相容性变成了分子战争。”

随着噬菌体成为对抗抗生素耐药细菌的治疗工具，这项新研究的结果非常重要。由于在这场日益严重的危机中，医生们一直在使用多种噬菌体的“混合物”来对抗感染，因此在使用多种噬菌体时，这种新的信息很可能会发挥作用。了解到某些噬菌体利用自私的遗传因子作为武器来对付其他噬菌体，有助于人们理解为什么某些噬菌体组合可能无法充分发挥其治疗潜力。

论文共同通讯作者、加州大学圣地亚哥分校"生物科学教授Joe Pogliano说，“这项研究中的噬菌体可用于治疗与囊性纤维化相关的细菌感染患者。了解它们如何相互竞争将使我们能够为噬菌体疗法调配更好的噬菌体混合物。”（生物谷Bioon.com）

参考资料：

Erica A. Birkholz et al. An intron endonuclease facilitates interference competition between coinfecting viruses. Science, 2024, doi:10.1126/science.adl1356.