南海海洋所揭示質粒上毒素／抗毒素系統新功能

　　近日，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）上，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》的論文，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。接合型質粒除編碼復制、分配和接合轉移系統外，往往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。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）是較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，達到在群體中維持質粒穩定存在的目的。ParDE系統是較早支持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，新西蘭坎特伯雷大學教授Heinemann研究團隊在PNAS的文章中提出了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，并非是通過PSK機制實現的。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。

　　王曉雪團隊研究發現，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。為進一步研究質粒的穩定機制，科研人員對質粒上編碼基因進行了功能研究。研究發現，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，然而，敲除prpA-prpT后，質粒的穩定性并沒有受影響，質粒的拷貝數出現顯著的異常升高，基因回補實驗證實了這一點。在機制方面，抗毒素PrpA直接調控了質粒的拷貝數，并且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地阻礙質粒復制蛋白RepB對復制起始區的結合，避免質粒的過度復制。

　　研究表明，抗毒素蛋白與質粒的復制蛋白共同維持質粒的低拷貝數，并與敲除TA后質粒出現高拷貝的表型一致。與PSK理論強調的TA系統在質粒分離后發揮作用不同，研究證實了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。結合研究可推測，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。

　　王曉雪團隊博士尼松偉和李百元為論文共同第一作者，王曉雪和副研究員王鵬霞為論文共同通訊作者。研究工作得到國家杰出青年科學基金，國家自然科學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的資助。

PrpT/PrpA調控質粒的復制