《PNAS》揭示質粒上毒素/抗毒素系統的新功能
1月22日，中國科學院南海海洋研究所研究員王曉雪團隊在《美國科學院院刊》（PNAS）在線發表了題為“接合型質粒編碼的毒素/抗毒素系統PrpT/PrpA直接調控質粒拷貝數”（Conjugative Plasmid-Encoded Toxin-Antitoxin System PrpT/PrpA Directly Controls Plasmid Copy Number）的研究論文，系統闡述了質粒編碼的毒素/抗毒素系統調控質粒復制功能的發現和作用機制。
質粒是存在于細菌染色體之外具有獨立復制能力的遺傳元件。接合型質粒除了編碼復制、分配和接合轉移系統以外，往往還攜帶毒力基因和抗性基因。接合型質粒介導的水平基因轉移是細菌耐藥性（包括碳青霉烯、多粘菌素等）快速擴散的重要途徑。尤其關鍵的是，這些質粒能夠在不存在抗生素的環境里依然穩定存在于細菌中，并進一步介導抗性基因的傳播。因此，接合型質粒的穩定性機制是臨床感染研究中關注的熱點。
毒素/抗毒素系統（Toxin/Antitoxin System, TA）是最早發現具有穩定質粒功能的二元系統。TA系統在1983年發現存在于接合型質粒上，在功能上被認為通過“分離后致死效應“（Post-segregational killing, PSK）來維持質粒的穩定性。在PSK理論中，當質粒在細胞分裂過程中由于復制或分離錯誤發生丟失時，在不含質粒的子代細胞中，相對穩定的毒素蛋白會由于失去抗毒素的中和作用發揮出毒性抑制細胞的分裂或直接殺死細胞，從而達到在群體中維持質粒穩定存在的目的。ParDE系統是最早支持PSK理論的研究模型之一。
隨著基因組測序技術的發展，大規模的臨床和環境微生物基因組分析發現接合型質粒上富集大量TA系統。2000年坎特伯雷大學Heinemann研究團隊在PNAS文章中提出了PSK理論的不足，認為質粒上TA系統的富集是質粒與質粒間競爭的結果，而并非是通過PSK機制來實現的。因為PSK理論很容易通過在模式細菌中異源表達TA來證實，因此一直被廣泛用來作為解釋質粒上富集TA系統的理論基礎，但僅用異源表達的手段來研究TA的功能存在局限性，容易忽視TA系統的多樣性生物學功能。
研究團隊在前期的工作中，發現海洋細菌中攜帶一個接合型質粒，能夠穩定存在并保持1個拷貝/細胞。接下來為了研究質粒的穩定機制，對質粒上編碼基因進行了功能的研究。分析發現，這個質粒編碼一對II型TA系統PrpT/PrpA，其中PrpT是ParE類家族毒素，而PrpA是功能未知的新穎抗毒素。意外的是，敲除prpA-prpT后，質粒的穩定性并沒有受影響。反而，質粒的拷貝數出現了顯著的異常升高。基因回補實驗證實了這一點。在機制方面，發現是其中的抗毒素PrpA直接調控了質粒的拷貝數，并且PrpA直接結合質粒復制起始區上的重復子序列（iterons），以濃度依賴的方式競爭性的阻礙質粒復制蛋白RepB對復制起始區的結合，避免質粒的過度復制。
研究結果發現抗毒素蛋白與質粒的復制蛋白一起來維持質粒的低拷貝數，這與敲除TA后質粒出現高拷貝的表型是一致。與PSK理論強調的TA系統在質粒分離后發揮作用不同，研究結果證實TA系統可直接參與質粒的復制過程，是質粒上TA系統的新功能。對IMG數據庫的TA系統進行比對研究，這一類TA系統的豐度明顯高于ParDE系統，并且參與PrpA抗毒素調控質粒復制的結構域在臨床耐藥菌的質粒上廣泛存在。結合本文的研究我們可以推測，細菌和古菌中廣泛分布的TA系統通過多種途徑發揮多樣的生物學功能。
研究員團隊的尼松偉博士和李百元博士為論文共同第一作者，王曉雪研究員與王鵬霞副研究員為論文共同通訊作者。本研究工作得到國家杰出青年科學基金、基金委水圈微生物重大研究計劃重點項目、面上項目、國家重點研發計劃以及中科院青年創新促進會等項目的共同資助。
相關論文鏈接：https://www.pnas.org/content/118/4/e2011577118
PrpT/PrpA調控質粒的復制
