Science：抗生素压力下，细菌通过膜囊泡分享功能蛋白，使休眠细菌生存率提升28倍

面对抗生素的致死威胁，致病菌们早就学会了“抱团取暖”。此前就有研究发现，细菌可以通过


水平基因转移（HGT）传播耐药性，但奇怪的是，有一些细菌，明明没有耐药基因，




却能在致命剂量的抗生素中通过进入休眠状态逃生，成为反复感染和耐药性进化的温床，它们也被称为


持久性细胞




（Persisters）。

长期以来，科学界认为这些休眠态细菌仅仅是由于代谢减慢、靶点失活而消极避险。但今日


《科学》




杂志发表的一篇论文告诉我们，它们也是因为集体的援助才能存活。

贝勒医学院科研团队发现，在抗生素压力下，细菌会分化成囊泡供体细胞和蛋白受体细胞两种截然不同的状态，前者分泌富含代谢酶、核糖体蛋白和DNA修复蛋白等功能蛋白，供给后者提升其在抗生素下的生存能力，生存率是没有接受”空投蛋白“的细菌的28倍。

这项研究首次提供了细菌间通过膜囊泡进行水平蛋白转移的直接证据。

其实，此前科学界已经发现细菌之间存在水平蛋白转移，这可能通过特定的分泌系统，也可能是


噬菌体




、DNA摄取等干扰了实验观察，所以虽然科学家们怀疑过膜囊泡会介导蛋白质转移，但一直缺乏实验方法证实。

本研究的开创点就在于开发了一套基于Cre-loxP的遗传检测系统，其中供体细菌表达Cre重组酶，而受体细菌含有由于部分倒置而失活的



galK




基因。只有当


Cre蛋白




（而非DNA或mRNA）从供体成功进入受体时，受体的




galK



基因才会复位恢复功能，使其能在半乳糖培养基上生长。

实验结果发现，在没有抗生素的环境下，细菌间的蛋白质转移频率极低。




但当加入了


亚抑制浓度




的环丙沙星之后，Cre蛋白转移频率骤升4000倍以上。这一现象不仅局限于实验主体的大肠杆菌之间，甚至跨物种也可以转移。

通过密度梯度离心高分辨率冷冻电镜，研究者观察到了大量直径约60 nm的膜囊泡，内部包裹着Cre蛋白，使其免遭外部蛋白酶降解。

分析发现，


抗生素压力激活了供体细胞的Psp反应


，关键效应蛋白PspA（一种类似于真核生物ESCRT-III的膜重塑蛋白）在囊泡生成中起核心作用。删除Psp系统则会大大降低蛋白质转移。

在受体细胞中Psp反应则是被抑制的，


这一过程由细菌持久性因子HipA调控。HipA的高表达会诱导细胞进入休眠，同时通过抑制翻译来间接抑制Psp反应，使细胞具备蛋白质接收能力。

受体细胞接收到来自供体细胞的膜囊泡，其中含有代谢酶、核糖体蛋白和DNA修复蛋白。这些“空投物资”显著增强了受体细胞在致死剂量环丙沙星下的生存率（＞40%），是对照细胞的28倍以上。

本研究的结论直接说明，持久性细胞是集体协作的受益者，它们从“同伴”获得强有力的生存物资，得以逃脱抗生素的制裁。

研究者指出，亚抑制浓度的抗生素（如由于漏服药物或吸收不良导致的低血药浓度）反而会诱导细菌产生这种互助机制。


这再次强调了足量、足疗程使用抗生素在临床上的重要性，以避免诱导细菌产生更强的持久性。