以下内容来自 微生物互作 iMcro，欢迎大家关注！细菌为了在环境中生存和竞争，已经进化出多种机制来对抗和杀死它们的竞争对手。这些机制可以大致分为化学、机械和生物武器，涵盖了抗生素、有毒蛋白质、机械刺穿装置和病毒等多种类型。细菌武器系统的多样性和进化受到诸多因素的影响，包括细菌的细胞密度、营养的可获得性以及细菌菌株在空间中的排列方式。细菌之间的竞争行为也多种多样，比如先发制人的攻击、自杀式攻击和针锋相对的对等攻击。本推文特为大家汇总了细菌为伤害和杀死竞争对手而进化出的常用机制。细菌武器的类型(Granato et al., 2019)![]()
IV型分泌系统（Type IV secretion systems，T4SS）：T4SS是一种广泛存在于细菌中的多功能、多组分的跨膜转运系统。一方面，T4SS能够产生性菌毛（F菌毛），通过与受体细胞的紧密接触，对DNA进行转运，实现细菌的接合转移（conjugation，水平基因转移的一种方式）。最近的研究发现，这些系统还可以将毒素直接靶向竞争对手，将有毒物质传递给其他细菌，从而抑制或杀死它们(Souza et al., 2015)。
黄单胞菌（Xanthomonas）能以依赖T4SS的方式杀死大肠杆菌(Souza et al., 2015)
VI型分泌系统（T6SS）：是广泛分布于革兰氏阴性细菌中的一种纳米分子复合物，可将毒素或效应蛋白传递给邻近的微生物（例如细菌和真核生物），破坏其脂膜、细胞壁或细胞骨架，以促进竞争性生存。T6SS属于收缩注射系统（CIS）家族，结构与噬菌体刺穿装置相似，在结构上和功能上与收缩噬菌体有关，通过快速鞘收缩将蛋白质转运到靶细胞中，具有接触依赖性特征。
T6SS的收缩导致效应蛋白的转运(Joshi et al., 2017)
VII型分泌系统（T7SS）：T7SS是革兰氏阳性菌所特有的蛋白分泌系统，是在研究结核病的主要病原体结核分枝杆菌（mycobacterium tuberculosis）时发现的，随后又在几种革兰氏阳性细菌中发现了该系统，包括金黄色葡萄球菌、炭疽球菌、肺炎链球菌、白喉杆菌和无乳链球菌。在某些情况下被认为具有接触依赖性特征，但并不完全等同于传统意义上的接触依赖性细菌武器。T7SS在某些情况下可能需要细菌与靶细胞（可以是宿主细胞或其他细菌）之间的直接接触。这种接触有助于精确传递毒素或效应分子，以最大限度地提高杀伤效率，同时避免对周围环境的无差别影响。因此，从这一点来看，T7SS具有接触依赖性的特征。尽管如此，并非所有的T7SS系统都完全依赖直接接触来发挥作用。在某些情况下，T7SS可能通过分泌效应分子或毒素进入周围的环境来影响靶细胞。这些分子可以扩散到靶细胞中，即使它们不在直接接触的范围内。接触依赖性生长抑制系统（Contact-dependent growth inhibition，CDI）：CDI系统广泛存在于革兰氏阴性细菌中，通过CdiA蛋白的受体结合区域与目标细菌细胞表面的特定受体结合。一旦CdiA蛋白与目标细菌接触并结合，CdiA的C端毒性结构域被转移到目标细菌的细胞中。这些毒性结构域可以具有多种不同的功能，如DNase、RNase活性，或能耗解偶联等，通过干扰目标细菌的基本生理过程（如DNA、RNA或蛋白质合成），从而抑制或杀死目标细菌。CDI发挥作用的示意图（Ruhe et al., 2018）
攻击细菌通过产生CdiI免疫蛋白来保护自己。CdiI免疫蛋白能够结合并中和CdiA的毒性结构域，从而防止自杀。Cdz系统与CDI类似，但其毒性机制包括在攻击者的细胞表面形成细丝。纳米管（Nanotubes）：纳米管是由细菌细胞膜的一部分延伸而来，形成一条可以连接相邻细胞的细长管道。通过这些纳米管，细菌可以交换多种分子，包括小分子代谢物(Pande et al., 2015)、蛋白质、毒素，甚至小片段的DNA。这种物质交换能够为细菌提供进化优势，尤其在竞争激烈的环境中，通过直接攻击竞争对手细胞或增强自身的抗生素抗性。纳米管的形成通常受到细胞密度和环境压力的影响，在高密度或竞争激烈的环境中更为普遍。纳米管在细菌生态系统中的意义重大。它们不仅是细菌竞争的重要工具，还可能在细菌群体行为、群体感应、以及集体抗性策略中发挥关键作用。纳米管的存在表明，细菌间的互动远比以前认识的要复杂，不仅仅是通过扩散或直接接触传播信息。![]()
图片来自于(Dubey and Ben-Yehuda, 2011)
外膜交换（Outer membrane exchange，OME）：OME机制主要观察到在某些革兰氏阴性菌中，在OME期间，一个群体中的细胞在细胞接触时在彼此之间捐献和接收大量的外膜物质。交换的材料包括膜脂质、脂蛋白和脂多糖，以及毒素(Vassallo et al., 2017)。利用外膜交换将多态毒素传递给邻近细胞，能为细菌提供一种亲缘鉴别和竞争优势的机制。
2.非接触性武器：
非接触性武器系统不要求细菌与目标直接接触，而是通过释放到环境中的有毒物质来攻击竞争对手。小分子毒素（Small molecule toxins）：这些毒素分子质量通常小于10 kDa，包括肽和抗生素。小分子毒素通过扩散进入目标细胞，破坏其正常生理功能，从而杀死或抑制目标细胞的生长。其机制与作用主要可分为三大类：（1）细胞膜破坏，一些小分子毒素通过嵌入或溶解细胞膜来破坏膜的完整性；（2）酶抑制，一些小分子毒素能够抑制重要的代谢酶活性，从而影响目标细胞的生长和繁殖；（3）核酸干扰，一些毒素可以干扰DNA或RNA的功能。蛋白质毒素（Protein toxins）：这些毒素通常分子量较大（大于10 kDa），通常具有非常特定的生物学功能。它们可以通过多种机制来攻击宿主细胞或其他细菌：（1）膜破坏，某些蛋白质毒素能够形成孔道或直接插入细胞膜，导致细胞溶解；（2）胞内毒性，一些毒素能够被目标细胞摄取，然后在细胞内干扰特定的生物过程；（3）细胞信号干扰：某些蛋白质毒素可以干扰细胞的信号转导途径。蛋白质毒素在细菌-宿主相互作用中起关键作用，特别是在致病性和毒力的表现中。它们帮助病原菌在宿主中建立感染和传播。例如，某些产气荚膜梭菌产生的毒素可引发严重的组织损伤和坏疽。在细菌之间的竞争中，蛋白质毒素也起到重要作用。例如，大肠杆菌中的大肠杆菌素（Colicins）是一类专门用于攻击其他大肠杆菌的蛋白质毒素，通过破坏竞争细胞的DNA或膜来消除竞争者(Cascales et al., 2007)。3.其他类型：
膜囊泡（Membrane vesicles）：许多细菌通过产生膜囊泡来传递有毒物质。膜囊泡可以含有酶类或其他毒素，通过接触或被摄入目标细胞后释放其内容物，从而对目标细胞造成损害。例如，金黄色葡萄球菌的α-溶血素和大肠杆菌的肠毒素。这些毒素能够破坏宿主细胞膜或干扰细胞信号通路，从而有助于病原菌的感染和传播。在微生物生态系统中，细菌之间的竞争是激烈的。膜囊泡通过以下几种方式帮助细菌在竞争中占据优势：（1）直接攻击，携带有毒素的膜囊泡可以直接攻击竞争性细菌，破坏其细胞膜或干扰其代谢过程。例如，铜绿假单胞菌的OMVs中含有多种破坏性酶，可以降解竞争性细菌的细胞壁成分。（2）环境调节，膜囊泡可以改变微环境的条件，抑制或排除其他竞争性微生物。例如，某些膜囊泡能够调节铁的获取，抑制其他微生物的生长。尾蛋白（Tailocins）：是一类由细菌产生的蛋白质结构，类似于噬菌体的尾部装置，但没有感染能力。它们主要用来攻击并杀死竞争性细菌，是一种高效的细菌竞争性武器。膜尾蛋白的结构复杂，能够识别并穿透特定细菌的细胞壁，导致目标细菌的死亡。尾蛋白通常在受到环境压力或群体感应信号的刺激下被细菌细胞裂解释放到环境中。多物种细菌生物膜中的战争(Granato et al., 2019)
在自然环境中，细菌通常生活在密集且基因多样化的群落中，这种密集生活促使细菌发展出有效的竞争策略，以确保自身的生存和繁殖。这种环境压力不仅促进了细菌武器的多样化发展，也导致了细菌间复杂的进攻和防御策略的演化。细菌的这些竞争策略在生态学和进化生物学研究中具有重要意义。通过理解细菌是如何使用这些武器赢得竞争，我们可以更好地掌握微生物群落的动态变化，这对于操纵人类微生物组以及其他重要的微生物系统具有潜在的应用价值。
文献引用：
- assallo N, Cao P, Conklin A, et al. Infectious polymorphic toxins delivered by outer membrane exchange discriminate kin in myxobacteria. eLife. 2017, 6, e29397.
- Cascales E, Buchanan SK, Duché D, et al. Colicin biology. Microbiol. Mol. Biol. Rev. 2007, 71(1), 158-229.
- Du Toit A. Well-timed toxin export. Nat. Rev. Microbiol. 2019, 17, 2–3.
- Granato ET, Meiller-Legrand TA, Foster KR. The evolution and ecology of bacterial warfare. Curr. Biol. 2019, 29, R521-R537.
- Joshi A, Kostiuk B, Rogers A, et al. Rules of Engagement: The Type VI Secretion System in Vibrio cholerae. Trends Microbiol. 2017, 25, 267-279.
- Pande S, Shitut S, Freund L, et al. Metabolic cross-feeding via intercellular nanotubes among bacteria. Nat. Commun. 2015, 6238.
- Souza D, Oka G, Alvarez-Martinez C, et al. Bacterial killing via a type IV secretion system. Nat. Commun. 2015, 6, 6453.
