2021-08-24
期刊：Evolutionary Applications
影響因子：5.183
近日，派森諾攜手北京師范大學張全國教授在Evolutionary Applications 期刊發表關于噬菌體可以減緩細菌耐藥進化的研究成果。文章通過三種不同的培養方式對細菌和噬菌體進行培養，證明了人工馴化在一定程度上可能改變微生物自身生長速率和侵染能力間的權衡關系，從而生產出控制效果更好的噬菌體株系。這種“噬菌體”的成功培養暗示了它們可以克服增長-傳染性權衡。
研究思路
研究背景
抗生素耐藥性危機使人們對使用噬菌體治療細菌感染產生了興趣，然而，耐藥性進化也是噬菌體治療中的一個主要考慮因素，特別是考慮到細菌可以在幾天甚至幾個小時內進化出對噬菌體的耐藥性。因此設計更好的噬菌體能夠減緩甚至防止細菌感染中的耐藥性演變，將獲得顯著的治療效益。因所處環境在許多方面與治療環境不同，天然噬菌體不太可能被優化用于噬菌體治療。所以噬菌體對宿主細菌的適應性實驗或“進化訓練”被認為是提高噬菌體治療效果的手段。它主要包括兩種，一種為在易感菌株上重復繁殖噬菌體，這可以改善噬菌體基因型相關的生長性能；另一種為可能導致噬菌體菌株更難進化出耐藥性的噬菌體與細菌共同進化，這可能是因為共進化的噬菌體可以感染具有不同耐藥性機制的更廣泛的細菌基因型。本研究在熒光假單胞菌SBW25上實驗進化出一種噬菌體（Φ2），以確定是否有可能克服生長和感染性之間的權衡。
研究材料和方法
實驗材料：熒光假單胞菌SBW25，裂解噬菌體SBW25Φ2
測序平臺：Illumina Miseq
分析內容：噬菌體訓練選擇實驗，噬菌體性狀測定，噬菌體基因組重測序
研究結果
1. 三種不同的細菌與噬菌體共培養方式與結果
采用不同的訓練策略培養菌株與噬菌體：①將細菌與噬菌體混合培養，并每次從混合培養物中選取部分加入到新的培養基中進行后續培養。②將細菌與噬菌體混合培養中的噬菌體分離出來，與初代細菌混合后加入到新的培養基中進行后續培養。③將第一種與第二種方式進行輪流交替。共有40個噬菌體群體在五種處理下進行培養：一種“Evolution”（E）、一種“Coevolution”（C）和三種“Rotation”機制（R），其中RA、RB、RC分別有著逐漸增長的共同進化階段。最終40個培養系中存活了32個，從32個存活群體中各選擇一個隨機噬菌體分離物。在這些噬菌體分離物中，生長速率和傳染性之間存在負相關，表明這兩個特性之間存在權衡。結果顯示，與Evolution噬菌體相比， Coevolution 噬菌體的生長速度明顯更低，傳染性范圍更大（圖2）。
圖1. 噬菌體訓練策略圖解
圖2. 選擇試驗中噬菌體分離物的生長速率和感染范圍
2. 克服權衡的噬菌體影響細菌耐藥性演變
通過PCA分析確定生長和傳染性值中的異常噬菌體樣本，發現一個來自“Evolution”的噬菌體分離株E4，兩個來自“Rotation B”的分離株（RB1和RB7）。這三種在下文中被稱為克服權衡的噬菌體，其中RB1的生長和傳染性接近所有噬菌體分離株的最大值。
當用于治療初代易感細菌種群時，RB1和RB7分別以5/10和3/10的概率使細菌滅絕；所有其他噬菌體都未能阻止細菌耐藥性的進化（圖3a）。在噬菌體未能促使細菌滅絕的情況下，它們控制細菌生長失敗的時間上存在差異。當噬菌體具有更高的生長速率或更廣的傳染性范圍時，“有效控制的持續時間”更長（圖3b）。這表明文章所采用的選擇實驗對于獲得對治療有用的噬菌體菌株特別有幫助。
圖3 噬菌體在減緩最初敏感細菌種群中耐藥進化方面的成功的兩種估計：（a）導致細菌滅絕的可能性；（b）在噬菌體未能導致細菌滅絕的分析中“有效控制持續時間”
3. 噬菌體生長和傳染性的可能遺傳基礎
對噬菌體進行重測序分析發現，平均每個噬菌體分離株有2.56個基因區突變，包括SNP和Indel。SBWP25_0036基因（編碼噬菌體尾部纖維蛋白）上有兩個突變在噬菌體分離株中檢測到的次數較多，A35898G共檢測到15次，G36794A共檢測到14次。A35898G與廣泛的傳染性呈正相關，與高生長率呈負相關；G36794A與廣泛的感染性呈正相關，其發生率在高生長和低生長噬菌體之間沒有差異，該突變在所有三個權衡克服噬菌體中都觀察到。其他突變在噬菌體分離株中的發生率相對較低（檢測到的次數≤4）。除此之外還發現有三種突變與克服權衡的噬菌體有關：基因SBWP25_0003中的同義突變A1708G和基因SBWP25_0032（編碼噬菌體尾管狀蛋白）中的非同義突變A27836C和A28991G。
研究結論
本研究培養了可以克服增長-傳染性權衡的“噬菌體”，來自“rotation B”的RB1和RB7 有時能夠完全阻止細菌耐藥性進化，導致細菌死亡。噬菌體重測序分析確定了兩個與廣泛感染性顯著相關的突變（A35898G和G36794A），三個與克服權衡相關的突變（A1708G、A27836C和A28991G）。這些突變可能有助于補償適應與廣泛傳染性相關的適應成本。總體而言，在進化的噬菌體分離株中，生長速度和傳染性范圍質檢存在權衡。少數噬菌體既有較高的生長速率，又有廣泛的感染性，這些克服權衡的噬菌體可以減緩甚至完全阻止初代敏感細菌群體的耐藥性演變。研究結果表明，精心設計的進化訓練計劃，特別是進化/協同進化輪換選擇機制，有望獲得治療上有用的噬菌體材料。
本研究的測序和部分數據分析工作由上海派森諾生物科技有限公司完成。
文章索引：Zhang QG, Chu LX, Buckling A. Overcoming the growth–infectivity trade-off in a bacteriophage slows bacterial resistance evolution. Evolutionary Anthropology. 2021;00:1-9. doi: 10.1111/eva.13260
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