【LorMe周刊】三个和尚没水喝：长期的社会互作驱动致病菌功能丧失
作者：樊哲，南京农业大学硕士在读。主要研究铁载体介导的微生物互作。
研究表明，细菌有着像人类一样复杂的社会互动：它们可以合作，也可以互相欺骗。这些社会互动可推动细菌种群水平上的进化，虽然目前已经有越来越复杂的方法可以监测引起传染病的细菌的表型和基因型的动态变化，但是对于这些变化，仍缺乏证据解释。作者发现引起囊性纤维化患者肺部感染的铜绿假单胞菌中，部分菌株会由于利用其他菌株的铁载体，丢失合成铁载体的功能成为欺骗者，破坏合作关系。这种功能损失可能是由肺中铁供应的变化所引起的，但细菌即使在丧失合成铁载体的能力后，仍保留吸收特定物种产生的铁载体的能力。只有当合作生产者从群体中流失时，摄取的受体才会流失，这一发现说明病原菌种群功能丧失是性状冗余的证据。本文结果表明铁载体功能选择驱动了病原菌的长期表型进化，长期社会互作会导致病原细菌功能的缺失。
为检测感染期间病原假单胞菌铁载体pyoverdine生产的变化，首先对529个分离菌株的pyoverdine产量进行测定。并将产生pyoverdine量少于阈值的菌株归类为非生产者。结果发现非生产者在铁受限的介质中生长能力大大降低。菌株的pyoverdine产量在感染期间差异很大，患者体内经常同时出现生产者和非生产者，这为非生产者利用其他细胞的pyoverdine进行欺骗提供了可能性。
序列分析发现pyoverdine基因的突变分布不是随机的：有两个基因累积的突变数量高于随机分布所预期的数量。其中一个是影响pyoverdine生物合成的σ因子（图2）。另一个是pyoverdine特异性受体基因fpvA（图2）。但是基因突变影响受体功能仅在欺骗者中被发现。这些结果表明，在肺部环境中pyoverdine的产生及摄取功能都在动态选择之中。
（上）Pyoverdine受体FpvA跨越细胞壁。在不存在结合的pyoverdine的情况下，抗σ因子FpvR抑制σ因子FpvI和PvdS的表达。Pyoverdine会从转铁蛋白中获取铁。当ferripyoverdine与受体结合时，FpvR释放FpvI和pvid。FpvI的释放引发了受体FpvA的合成，而PvdS的释放引发了pyoverdine的合成(箭头所示)。(左下)如果pyoverdine的产生随着对肺部环境的适应而减少，则不管邻近的pyoverdine是否可用，受体的功能都会变得多余。(右下)然而，如果菌株由于作弊失去pyoverdine的生产能力，则会在pyoverdine存在时保留受体功能。
为了检验寄主环境和社会互动是否会在pyoverdine区域进行选择。作者提出假设认为，受体基因突变损害了菌株摄取复合物(Fe3+-pyoverdine)的能力。然后从铁载体生产者中纯化得到pyoverdine，并将其添加到在铁受限的培养基中培养非生产者。可能是由于存在少量其他铁螯合剂（例如绿脓素），两组的生长都受到了刺激，但无突变的分离株的增幅明显高于有突变的分离株（图4A）。这一结果证明突变菌株pyoverdine受体基因发生突变，损害了摄取复合物的能力，导致突变株生长受损。
同时作者还认为受体的维持成本高昂，并会选择保留摄取复合物(Fe3+-pyoverdine)的能力。受体基因fpvA的高突变率支持了这一猜想。这种生产成本除了来自生物合成，也由于受体的表达受铁载体复合物的调控，因为在没有pyoverdine的情况会限制受体表达。并且蛋白质结构预测也发现突变明显偏向受体的胞外区域（即铁载体互作和识别的区域）（图3）。因此受体的保留的成本也是高昂的。
由于在不产生pyoverdine的分离株中保留受体的成本是高昂的，因此作者测试了非生产者是否会选择保留受体功能。结果发现，受体功能丧失取决于共同感染的分离株。即在存在pyoverdine生产者的情况下以及可能发生作弊的情况下，受体基因几乎不会发生突变。然而，在不存在外源pyoverdine的情况下，突变数量显著高于预期（图4B）。此外，对来自10名患者体内的非生产者进行纵向采样，测量菌株对社会环境变化做出反应的潜伏期。结果发现当pyoverdine非生产者与生产者同时出现时，其至少维持了4.6年受体功能。相比之下，在没有外在的pyoverdine的情况下，突变的累积速度显著加快（图4C）。
本研究发现铜绿假单胞菌感染肺部时的pyoverdine系统会随着社会环境的变化而进化。虽然肺部环境的铁素可利用性，会导致菌株铁载体生产功能的保留，但由于作弊带来的适应性好处，铜绿假单胞菌株间长期社会互作会导致群体反复丧失pyoverdine生产的功能。
论文信息
原名：Long-termsocial dynamics drive loss of function in pathogenic bacteria
译名：长期的社会互作驱动致病菌功能丧失
期刊：PNAS
发表日期：2015.7
通讯作者：Sandra BreumAndersen
通讯作者单位：丹麦技术大学诺和诺德基金会生物可持续性中心