Commun. Biol.：接合IV型分泌系统实现独立于质粒转移的细菌拮抗作用

文摘 2024-07-24 08:02 瑞士

文献信息：Gordils-Valentin, L., Ouyang, H., Qian, L., Hong, J., and Zhu, X. Conjugative type IV secretion systems enable bacterial antagonism that operates independently of plasmid transfer[J]. Communications Biology. 2024, 7: 499.

摘要

由分泌系统介导的细菌合作和拮抗是细菌相互作用的一种方式。本文报告了使用工程方法发现的源自接合质粒RP4的IV型分泌系统（T4SS）的拮抗特性。我们详细研究了这种拮抗活性的遗传决定因素，并提出这种拮抗活性独立于分子货物。同时，我们还阐明了抗性基因。进一步研究表明，这种依赖于T4SS的拮抗作用可以消灭一系列革兰氏阴性细菌和混合细菌群体。最后，我们展示了这种拮抗特性不仅限于源自RP4的T4SS，还可以在另一个接合质粒R388的T4SS中观察到。我们的结果首次在遗传水平上展示了革兰氏阴性细菌之间由接合T4SS介导的拮抗作用，并为未来的机制研究奠定了基础。

细菌拮抗策略可以是非接触依赖型或接触依赖型。非接触依赖型的策略包括：细菌生产专门的代谢物来抑制竞争细胞（如链霉菌生产抗生素）、消耗必要的营养物质（如铁载体螯合铁）或生产干扰竞争细胞生命周期的酶（如表皮葡萄球菌生产Esp阻止金黄色葡萄球菌形成生物膜）。接触依赖型的策略包括：将毒素递送到对方细胞膜受体（如大肠杆菌EC93 CDI系统）或使用专门的分泌系统直接向竞争细菌注射毒素（如VI型分泌系统（T6SS）或IV型分泌系统（T4SS））。

细菌分泌系统的拮抗能力引起了研究人员的兴趣，他们希望利用这些系统进行抗菌技术，例如使用T6SS在混合群体中对细胞进行可编程和有针对性的杀伤，使用接合递送编码抗菌分子的致命货物（如CRISPR-Cas核酸酶和毒素-内含子系统）以及最近发现的假单胞菌上的IVB型分泌系统（T4BSS），这些系统可以在接触依赖的情况下向竞争细胞注射毒素，具有生物防治的潜力。这些进展突显了细菌利用天然或合成的分泌系统与群落中其他成员竞争的多功能性。

IV型分泌系统（T4SS）在细菌合作与拮抗中的双重角色。T4SS作为细菌的主要分泌系统，广为人知的是其促进抗生素抗性基因等高价值遗传信息的接合转移，增强细菌在恶劣环境下的生存能力。然而，该系统在细菌拮抗中的潜力长期被忽视。尽管少数细菌已利用T4SS递送毒性物质，但这些行为多依赖于特定效应物，而非纯粹的接合作用。

近期研究揭示，T4SS通过接合过程，无需实际遗传物质转移，也能实现细菌间的拮抗。1950年代报道的“致死接合”现象便是典型例子，其中F系统形成的结合对导致受体细胞大量死亡，且此过程独立于基因转移。这暗示T4SS的结合机制本身具有潜在的拮抗能力，而不仅限于遗传物质的交流。鉴于多数接合质粒都编码T4SS以实现细胞间接触，我们推测这一系统或普遍具备细菌拮抗的潜力，尽管其遗传基础及具体机制尚待深入探索。

在这项研究中，我们利用工程方法揭示了源自接合质粒RP4的T4SS的拮抗特性。RP4（也称为RK2）是一个研究充分的质粒，属于不同于F系统（IncF）的不相容组（IncP），但自1960年代首次分离RP4质粒以来，其T4SS的拮抗作用一直未被注意到。我们的工程努力表明，RP4的T4SS的拮抗活性在我们所知的范围内独立于向目标细胞递送的分子货物。此外，我们详细研究了赋予这种T4SS依赖拮抗性的抗性基因，并显示其依赖于细胞间的接触。进一步观察到，这种致命表型在单培养和混合培养环境中对革兰氏阴性细菌有效。最后，我们证明这种拮抗特性不仅限于源自RP4的T4SS，还可以在另一个属于不同不相容组（即IncW）的接合质粒R388的T4SS中观察到。我们的结果首次在遗传水平上展示了革兰氏阴性细菌之间由接合T4SS介导的拮抗作用，并为未来的机制研究奠定了基础。

文中图表：

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