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摘译：杜青青
审校：李 颖
质粒是一种小型的、可以自主复制的DNA分子，它们能够在细菌间通过接合的方式进行水平基因转移，传播耐药等关键表型。这种传播导致了耐药细菌的出现和播散，对公共卫生构成了严重威胁。不过细菌拥有自己的防御系统，如限制-修饰系统（R-M）系统。R-M系统是细菌中最常见的防御系统，它们通过识别特定的DNA序列来区分自身与非自身。这些系统由两部分组成：限制性内切酶（REase）和甲基转移酶（MTase）。限制性内切酶能够切割未修饰的DNA，而甲基转移酶则能够修饰细菌自身的DNA，使其免受限制性内切酶的切割。不同类型的限制-修饰系统对质粒防御的功能不同：II型R-M系统通常比I或III型系统更有效，这可能是因为II型系统通常只需要一个识别位点就能切割DNA而I和III型系统需要至少两个位点。
本研究中，作者使用了10个不同的R-M系统和13种耐药质粒深入探讨质粒在面对细菌R-M防御系统时的适应性和传播性。
首先，作者发现不同类型的R-M系统对接合不同质粒的防御效率存在显著差异，从无到高达10^5倍的防御效率。这表明某些质粒已经进化出了有效的策略来对抗宿主细菌的R-M系统（图1）。
图1.E. coli RM系统对野生型耐药质粒的防御效率(RE)。在(A)中，展示了跨质粒×RM组合的防御效率分布的直方图。实线和虚线分别表示中位数和平均RE。在(B)中，左侧图表显示了每个质粒×RM系统组合的平均RE（n≥4次重复的几何平均值），以颜色尺度显示。灰色方块表示未测量的组合。右侧图展示了在没有防御的情况下每个质粒的转移速率，以颜色尺度显示。
质粒上的R-M系统识别位点数量与防御水平呈正相关，质粒上的位点数量越多，防御效率越高。具体来说，对于最常见的目标长度（6 bp），质粒基因比核心基因更倾向于回避这些位点（图2）。这表明质粒通过减少识别位点的数量来降低被R-M系统识别和切割的风险。
图2.不同RM系统对接合质粒的防御效率与识别位点数量的影响。以每个RM系统为函数，展示了对数变换的RE与识别位点数量的关系。点和垂直线分别表示每个质粒的平均RE和标准误差（n≥4次重复），颜色表示质粒的身份。
图3.宿主和质粒甲基化酶对接限制效率的影响。在(A)中，以EcoRII识别位点数量为函数，展示了对数变换的EcoRII RE，供体菌株为dcm+（上）或dcm−（下）。点和线分别表示每个质粒的平均RE和标准误差（n=4次重复），颜色表示质粒类型。在(B)中，展示了从dcm−供体菌株针对野生型pKAZ3、pKAZ3Δdam和pKAZ3Δdcm的RE。
图4.质粒抗限制功能对接限制效率的影响。展示了从dcm−供体菌株对10个E. coli RM系统的对数变换RE，针对野生型pKAZ3、pKAZ3Δvcrx089–90和pKAZ3Δvxrx093。
最后，研究还揭示了质粒大小和宿主范围与防御效率之间的关系。较小的质粒通常通过调整其序列组成来适应限制-修饰系统，而较大的质粒则通过携带额外的抗限制基因来适应。并且较大的质粒更有可能携带孤儿甲基转移酶，这些酶能够提供针对R-M系统的保护。此外，具有广泛宿主范围的质粒显示出更强的逃避R-M系统的防御功能。
综上，尽管R-M系统对某些质粒构成了显著的威胁，但质粒已经进化出了不同的策略来应对细菌的R-M防御系统。质粒对R-M系统防御的抵抗策略包括质粒减少系统识别位点数量、编码甲基化酶、携带抗限制基因等，它们共同决定了质粒在面对细菌防御系统时的适应性和传播能力。因此，尽管R-M修饰系统可能在某些情况下限制了质粒的传播，但从长远来看，它们对质粒传播的影响是有限的。这些发现揭示了质粒如何通过不同的策略来适应和克服细菌的R-M系统，从而在细菌间传播。这项研究不仅增进了对质粒传播机制的理解，还为开发新的抗菌策略提供了潜在的靶点。
