南洋理工大学陈林/英属哥伦比亚大学Siyun Wang教授团队:宿主与噬菌体共同演化中表型和基因组的动态变化导致的种群灭绝与共存

学术   2024-11-11 07:38   湖北  

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受体修饰与适应性之间的权衡驱动宿主与噬菌体的共同演化,导致噬菌体的灭绝或共存

导  读

2024年11月,南洋理工大学化学、化工与生物技术系陈林和英属哥伦比亚大学土地与食品系统系Siyun Wang*(通讯作者)在国际微生物生态学学会旗舰刊The ISME Journal(Q1,IF:10.8)发表题为 “Trade-offs between receptor modification and fitness drive host-bacteriophage co-evolution leading to phage extinction or co-existence” 的研究文章。

随着噬菌体在食品、医学、兽医和生物技术中的广泛应用,对宿主-噬菌体相互作用的理解变得越来越重要。宿主与噬菌体的共同演化可能导致种群的灭绝或共存,但导致这些不同结果的因素仍不清楚。本研究中,我们将沙门氏菌菌株与裂解性噬菌体SF1共同进化30天,结果出现了噬菌体灭绝或与宿主共存的情况。通过系统地分析进化过程中宿主细胞和噬菌体的表型和基因动态,我们揭示了宿主-噬菌体共同进化的机制。研究发现,宿主细胞在进化过程中对野生型噬菌体表现出多种抗性模式,包括敏感性、部分抗性和完全抗性。噬菌体抗性强度与噬菌体吸附显示出显著的线性关系,表明表面改造介导的吸附机制在抗性发展中起主要作用。此外,能够消除噬菌体的菌株在获得抗性时表现出更高的突变率和较低的适应性代价。抗性基因被分为关键突变(例如rfaH调控的rfb基因的无义/移码突变,导致O抗原受体移除)和次要突变(如菌毛合成和tRNA修饰等)。关键突变产生了无法战胜的完全抗性,而次要突变则导致部分抗性或完全抗性,且能被进化的噬菌体克服。总体而言,高频率的关键突变与较低的适应性代价可导致强抗性并最终使噬菌体灭绝,而适应性代价不足、突变率较低或缺乏关键突变则导致共存。我们的研究揭示了噬菌体抗性在共同进化过程中的独特种群动态和进化权衡,为理解微生物相互作用提供了新见解。


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研究亮点

  • 宿主-噬菌体共同进化揭示了噬菌体灭绝或共存的机制。

  • 宿主细胞表面受体改造介导的噬菌体吸附是主要抗性机制。

  • 突变类型和适应性代价决定抗性强度与噬菌体命运。

  • 关键突变可导致噬菌体灭绝,而次要突变则促成共存。


研究结论

  • 宿主-噬菌体的共同进化结果受到宿主细菌特定特征的影响,尤其是噬菌体抗性(如本研究中的受体改造)与适应性代价之间的权衡。在噬菌体灭绝的情况下,细菌通过较高的突变率和关键突变频率来减少适应性代价,从而快速获得强大的抗性;相反,突变率较低且关键突变较少的菌株通常因抗性代价较高而选择与噬菌体共存,无法在初始选择轮次后彻底消除噬菌体。这种动态导致了波动的选择压力与共存模式。此外,不同抗性表型(敏感、部分抗性和完全抗性)菌株的噬菌体压力与适应性代价平衡,导致共存模型中的波动性选择动态。


  • 整体而言,这些发现为宿主-噬菌体相互作用的表型与基因组共同进化提供了深入的见解,突显了突变率与受体改造关键突变等因素在噬菌体抗性发展与适应性代价之间的权衡中所起的关键作用,并最终决定了进化的结果。


图文赏析

图1. 肠炎沙门氏菌菌株与噬菌体 SF1 的共同演化。

图2. 噬菌体抗性的发展和相关的适应成本。

图3. 演化后的噬菌体具有增强的感染能力。

图4. 演化后的沙门氏菌和噬菌体分离株的基因组学分析。

图5. rfaH调控的rfb基因在进化过程中噬菌体抗性发展中的关键作用。

图6. 影响不同演化动态和结果的因素模型。

陈 林

陈 林,南洋理工大学(NTU)化学、化工与生物技术系助理教授,研究方向为食品微生物、食品安全与组学等。陈博士于中国农业大学食品科学与营养工程学院获得食品科学与技术学士及硕士学位,并于2021年在新加坡国立大学 (NUS) 食品科学与技术系取得博士学位,后加入加拿大不列颠哥伦比亚大学 (UBC) 从事病原菌对噬菌体抗性机制的研究。陈博士已经发表40余篇学术论文,被引用3000余次 (H-index 32), 被评为2023世界Top 2% 科学家(Stanford/Elsevier),并于2022年获得国际食品科技联盟 (IUFoST) 青年科学家奖。

Siyun Wang

Siyun Wang,英属哥伦比亚大学(UBC)土地与食品系统系教授,同时也是UBC分子食品安全实验室的负责人。她致力于教学和研究,以确保食品供应系统的安全性,研究方向包括食品微生物学、食品安全和食品工程等。Wang教授于2005年获得复旦大学药学学士学位,并于2010年在伊利诺伊理工学院取得生物学博士学位。在2013年1月加入UBC之前,她曾在康奈尔大学担任博士后研究员。Wang教授在食品安全领域发表了70多篇同行评审的论文和书籍章节,并多次获得奖项,包括UBC的杰出成就奖、不列颠哥伦比亚食品保护协会的食品安全奖、欧洲食品安全局的青年研究员奖项,以及美国国家科学基金会颁发的STEM领域女性科研奖学金。目前,她担任国际期刊Current Research in Food Science的副主编,及Journal of Food Protection和Food Microbiology期刊的编委会成员,并担任Frontiers in Microbiology|Phage Biology的审稿编辑。

原文链接

https://doi.org/10.1093/ismejo/wrae214

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