細菌對噬菌體的抗性范文

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《生物技術通報雜志》2014年第七期

1噬菌體治療的優勢和難點

與抗生素治療相比較，利用噬菌體治療細菌性病害有其潛在優勢：噬菌體只針對其特定的細菌病原菌作為宿主，因此噬菌體治療專一性強且無副作用，不會破壞正常菌群［5，6］；噬菌體的存活和復制都是依賴其宿主細菌，由于噬菌體復制數量大周期短，每個裂解周期都會產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［7，8］。另外，對于已經具有抗生素或化學農藥耐/抗藥性的細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勢，但是在噬菌體治療中也存在難點，尤其是在協同進化中細菌對噬菌體產生抗性的問題。研究表明，在噬菌體的壓力驅動下，細菌能通過多種機制產生或獲得耐/抗性，包括已經報道的吸附抑制、DNA穿入阻滯、限制-修飾（Restriction-modification，R-M）系統、規律成簇間隔短回文重復序列（Clusteredregularlyinterspacedpalindromicrepeats，CRISPR）系統及頓挫感染［9，10］，即使是在細菌數量相對比較小的群體中（如108的細菌數量），細菌能快速的對噬菌體產生抗性［11］。正因為人們對噬菌體治療的優勢及前景的期望，同時也對細菌病原體對噬菌體抗性的擔心、噬菌體治療存在的爭議一致持續著。目前大家關注的一個問題是，雖然細菌對噬菌體產生抗性的機制和對化學抗生素產生抗性的機制有很大的區別。但是從長期治療的角度看會不會導致相同的結果：治療制劑不再能控制耐/抗性細菌病原菌的繁殖從而導致治療無效。

2細菌對噬菌體抗性問題的爭議

在研究過程中，細菌對噬菌體抗性能快速的出現，此后噬菌體治療倡導者們通常利用混合噬菌體的優點，在混合噬菌體中包含有多種類型的能感染同一種細菌或同一個細菌株系的噬菌體，從而使出現抗性細菌細胞的可能性大大降低［12，13］。然而，還有一個值得關注的問題是，混合噬菌體的廣泛使用是否會導致抗混合噬菌體的抗性細菌病原菌株系的產生，也許與抗生素使用結果相似，在噬菌體制劑使用了幾十年之后，可能出現眾多的細菌性病原菌對不同的混合噬菌體產生抗性，導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菌出現，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。通常認為噬菌體驅動細菌的進化［16］，在噬菌體的壓力下，迫使在細菌群體中產生對噬菌體具有適應性的細菌，尤其是對噬菌體具有抗性的細菌。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區分相關性很近的細菌株系。即使是宿主范圍窄，抗性的持續選擇和經常提及的細菌與噬菌體之間的競爭性進化，也許可能使得分離有效感染具有多噬菌體抗性的細菌性病原菌株系變得困難。在循環的協同進化中，噬菌體能影響細菌的進化。在協同進化中，細菌能獲得對噬菌體的抗性，形成對該噬菌體具有抗性的細菌，然而隨著協同進化的循環，噬菌體能重新獲得對噬菌體具有抗性細菌的侵染能力，而且，研究表明細菌回復到噬菌體敏感型的頻率相對比較低。細菌的細胞表面成分進化比較快速，這可能是細菌細胞表面成分被噬菌體作為宿主附著點利用的原因，也是細菌病原菌改變其免疫系統的結果。研究表明即使在實驗室條件下，細菌與裂解性噬菌體的競爭性協同進化會加速參與協同進化物種之間的分子進化速率。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］，在這種協同進化循環的情況下，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菌的能力［18］。Ormälä等認為，盡管上面提到的細菌對噬菌體能快速產生抗性，但是一些研究顯示具有噬菌體抗性的超級細菌不太可能出現。首先，在實驗室條件和在自然棲息地情況下，有實驗表明病毒（噬菌體）適應進化的宿主或者宿主適應進化的病毒（噬菌體）是周期性的演變。特別是Gomez和Buckling［22］闡述土壤中的細菌對當代噬菌體的抗性比對前代或者后代的噬菌體抗性要強。宿主對噬菌體感染的抗性只是細菌的一個暫時特性。同樣的，噬菌體對目前的細菌感染力比對過去或者以后的宿主的感染力弱。這表明不會因此使得只有協同進化的噬菌體才能保持感染它們宿主的能力；反過來，這也表明噬菌體選擇不會驅動遺傳分化，還可以防止其它的噬菌體在特定的宿主中復制。另外，在很多情況下細菌獲得噬菌體抗性是有代價的［23，24］，對細菌而言，在其區域環境中不再出現的噬菌體，仍然對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菌通常缺失具有細菌性致病力的細胞表面特征［25，26］。具有噬菌體抗性的細菌，假使不被噬菌體殺死，大多也變成了無致病力的細菌。然而，有時候一直觀察不到細菌對噬菌體產生抗性的代價［27］，表明至少有些情況下細菌的抗性表現型可以持續。

大多數細菌被認為是在它們目前的環境中與噬菌體競爭的條件下不斷進化［11］。盡管這是一個事實，即使持續使用噬菌體致使一個細菌群體對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］通過分析38個關于宿主-噬菌體相互作用的獨立研究，結果表明噬菌體能感染許多從不同地方分離的宿主細菌株系，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一性的噬菌體感染，這表明盡管它們缺乏最近的接觸，但是噬菌體仍然能保持對地球另一端宿主細菌細胞的感染力。Wolf等［29］研究表明他們在2003年分離到能感染一個單一的淡水宿主細胞（鞘氨醇單胞菌）的噬菌體，宿主細胞是在1985年分離的，而噬菌體是在2003年從相距分離宿主細胞很遠的地方分離的。Ormälä等［21］從芬蘭分離的噬菌體中有可以感染20世紀60年代從不列顛分離的宿主。這些和其它例子表明一個單一的噬菌體能保持感染世界各地的宿主細菌，一個單一的細菌能作為多個遠距離其它地方分離的噬菌體。

3展望

以上關于噬菌體治療的抗性問題爭論中暗示，盡管噬菌體治療廣泛使用，但對病原菌細菌而言，不能再發現具有感染能力的新噬菌體的情況是不太可能出現。從歷史的角度看，噬菌體治療已經失敗了一次［30］，我們再次嘗試的時候需要小心謹慎。最近Denomy等［31］研究發現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（規律成簇間隔短回文重復序列相關系統）系統的機制，抗CRISPR基因的存在為闡明CRISPR/Cas功能性機制提供了新的方向，并為理解噬菌體和細菌的共進化提供了新的觀點。Seed等［32］研究發現霍亂菌（Cholerabacteria）的一種噬菌體能“偷走”細菌的功能免疫系統，并利用它關閉霍亂菌對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性免疫系統，這項研究對于噬菌體療法而言具有重要的意義。因此，在新的“傳統”抗生素發展和開發已經變得更難的時候，為了充分利用噬菌體治療的優勢，克服噬菌體治療的難點，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-細菌的協同進化、噬菌體-細菌-宿主三者之間的相互作用關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：貴州省煙草科學研究院中國煙草分子遺傳重點實驗室