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作者：陆春霞，南京农业大学硕士在读。主要研究青枯菌与噬菌体的共进化。
导读  自然种群中存在抗性和敏感性宿主类型共存的现象，通常将这一现象与其噬菌体选择压力下失去代价高昂的抗性相联系。宿主种群在经历噬菌体选择压力后，能否回归易感性或是保留其共同进化的特征主要由环境条件和选择强度等决定，但以往的研究发现，噬菌体敏感性是否重新出现结果不一致且难以解释。为了探索先前的噬菌体选择如何改变未来的细菌进化，本研究利用丁香假单胞菌的实验进化种群追踪了噬菌体抗性随着时间的变化；通过分离并测序了在一组裂解噬菌体中进化出抗性的丁香假单胞菌菌落，并测量了每个抗性突变的适应度成本，来验证可以通过许多不同的遗传途径获得噬菌体抗性，然后使用每种抗性菌株长时间单独培养，通过一系列进化实验，证明了噬菌体抗性可以是可逆的，也可以是稳定的，这取决于最初的抗性遗传路径。  噬菌体抗性的单步选择 为了探索噬菌体抗性的后期结果是否取决于初始抗性的遗传基础或与抗性相关的适应度成本，首先基于五种不同噬菌体选择了丁香假单胞菌抗性菌落。通过分离并测序了 22 个菌落，揭示了 17 个独特的抗性突变，发现突变均位于参与外膜脂多糖分子生物合成的四个基因之一：PSPTO_4988（RfaB家族糖基转移酶）、PSPTO_4991（Glc II糖基转移酶）和PSPTO_1330（糖基转移酶α-L-Rha），参与组装 LPS 核心结构和负责O抗原的rfbA（1-磷酸葡萄糖胸苷转移酶）（图 1 A）。与原始菌株相比，这些菌株的单独生长速度更慢，这表明存在抗性和其他适应性方面之间的权衡（图 1B）。发生这些突变的基因无法解释生长速率的变化，表明同一基因中的不同抗性突变可能对适应度产生不同的影响。  图1 噬菌体抗性的遗传机制和适应性成本 恢复适应性成本的多种进化路径 为了测试噬菌体敏感性是否会在无噬菌体的情况下重新进化，接种了22个抗性菌落和6个易感原始菌落，培养36天以评估由于对环境的整体适应而引起的变化。在实验过程中，以噬菌体抗性细菌开始的种群与易感原始细菌开始的种群之间的生长速率差异逐渐缩小，实验结束时，两者之间没有适应度差异（图2A）。在较小的选择压力下，少部分细菌种群对供试噬菌体的抗性水平较低。研究发现总共 5个种群包含具有敏感、部分抗性或不明确表型的菌落。在存在或不存在噬菌体的情况下，检测这些菌落的生长，揭示其中三个种群中含有噬菌体敏感细菌（图2B）。尽管实验进化对细菌适应度有主要影响，但重新获得敏感性的种群和保持抗性的种群之间的变化率没有差异。这一观察结果表明，抗性种群可能能够获得补偿性突变，从而降低噬菌体抗性的成本，而不会逆转它。  图2 在没有噬菌体的情况下，实验进化过程中细菌种群的表型变化 实验进化的再现 最初的进化实验表明，赋予噬菌体抗性的基因特性并不能解释细菌是保持抗性还是重新进化出敏感性。为了研究噬菌体抗性结果是否取决于确切的抗性突变，基于分离的抗性菌落再研究，发现这些菌落在实验进化过程中重新进化出敏感性。其中包括三个之前实验从未观察到重新进化敏感性的抗性菌落，它们选择最接近可能的基因匹配的菌落。例如，菌落 VCM4 和 MS2 最初都通过rfbA基因的点突变获得了抗性，但 VCM4 具有重新进化的噬菌体敏感性，而MS2则没有。 使用这些抗性突变体培养持续 36天。在实验结束时，发现抗性突变体占群体间差异的大部分，进化随机性起较小的作用。来自在原始实验中重新进化敏感性的抗性突变群体也更有可能在再现实验中重新进化出敏感性（图3) 。  图3 再现实验中的噬菌体抗性结果对抗性突变群体的反映 基因组进化的历史偶然性 在没有噬菌体的情况下，进化 6 天后对原始进化实验的每个种群进行了测序。通过计算 Sørenson-Dice相似性系数，它描述了两个种群共有的突变基因的比例，控制了它们的初始遗传背景，发现具有相同抗性机制的群体比具有不同抗性机制的群体获得了更多相似的突变集（图4 A）。最初通过糖基转移酶编码基因PSPTO_4991突变获得噬菌体抗性的群体在进化过程中彼此特别相似（图4 B），许多基因在所有群体中获得突变或没有获得突变。  图4 实验进化过程中突变基因身份的遗传偶然性 历史对基因组进化的影响随着时间的推移而减弱 为了检查长期的适应和历史偶然性，进化实验结束时（第 36 天）对每个种群进行了排序。发现进化种群在蛋白质编码基因中固定的突变相对较少，但在许多基因座处获得并保持了多态性。此外，在实验进化过程中，几个种群在 DNA 错配修复蛋白mutS或mutL中获得了替换。尽管这些突变在各自的种群中都没有固定，但在实验结束时，mutS或mutL突变的种群总体上比其他种群获得了更多的固定突变或多态性，表明它们可能包含突变率升高的“超突变体”谱系。种群在相同环境中进化总共36 天后，在成对相似系数上没有剩余的初始抗性基因特征（图 5）。  图5 在没有噬菌体的情况下的延长进化  本研究确定了细菌 - 噬菌体共同进化中的未来进化方向（“棘轮效应”），并且解释了抗性在某些细菌种群中会随着时间的推移而持续存在，但在其他细菌种群中会消失的观察结果；同时发现即使是短暂接触噬菌体也会对细菌种群的进化轨迹产生持久的影响。另外通过一系列实验室进化实验，证明了丁香假单胞菌中的噬菌体抗性是可逆的或稳定的，这取决于最初的抗性遗传路径。该研究为历史偶然性的遗传结构提供了新的见解，这是解释和预测进化的关键组成部分。 论文信息 原名：Historical Contingency Drives Compensatory Evolution and Rare Reversal of Phage Resistance 译名：历史偶然性推动了噬菌体抗性的补偿性进化和罕见的逆转 期刊：Molecular Biology and Evolution DOI：10.1093/molbev/msac182 发表时间：2022.08 通讯作者：Reena Debray 通讯作者单位：加州大学伯克利分校综合生物学系 |
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