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群体感应有助于有益细菌控制其致病原因

Germophobes - 让我们聊聊。微生物无处不在 - 每个表面,每个物体,每种植物和动物。是的,包括你内心。没错,其中一些会导致疾病。

群体感应有助于有益细菌控制其致病原因

等等 - 暂时还没达到洗手液。他们中的许多人是我们团体中的共同居民,提供有益的服务以换取我们的一些资源。这是一种叫做共生的关系,我们在这种关系中提供一个舒适的家,他们以无数有趣的方式回报他们。科学刚刚开始划清我们体内微生物为我们所做的事情。

到目前为止,科学家们对这些关系是如何产生的只是一种模糊的理解。现在,科林戴尔和他在犹他大学的同事们得到了答案。这是好消息和坏消息,生化恐惧症:坏消息?相互作用的细菌始于入侵动物细胞,就像恶毒的致病细菌一样。好消息?一旦他们进来,他们就会冷静下来并且玩得很开心。

“当我第一次进入微生物学时,一切都与坏人有关,”生物学教授戴尔说。“微生物说唱不好。对我们来说,重要的是看到方程式的另一面,并了解这些友好关系是如何开始的。”

Dale的工作于5月10日在Cell Host&Microbe上发表,并由美国国立卫生研究院资助。

Sodalis在野外

“我们对共生有很多了解,但我们不知道它是如何开始的,”戴尔说。他和其他研究人员调查昆虫如何找到共生细菌伴侣并建立成功关系的问题。为此,他的实验室对共生共生体及其“野生”祖先的遗传特征进行了比较研究。这种比较很重要,也很有启发性,因为在他们寄宿家中的共生体会失去他们不再需要的基因。“没有比较,你真的无法研究这个过程,因为你不知道祖先的遗传能力”戴尔说。

戴尔的实验室很幸运地发现了这样一个祖先。1999年,他发表了Sodalis的第一个描述,Sodalis是一种细菌,现在已被广泛采用作为多种昆虫寄主的共同伙伴。后来,在2012年,一位同事与他联系,询问了他收到的一个奇怪的生物标本,这个标本来自一名男子的感染,该男子在修剪死去的蟹苹果树时受伤。该标本原来是Sodalis的一种,第一种被确定为在环境中独立于昆虫宿主生活。戴尔将其命名为Sodalis praecaptivus,表示它代表了Sodalis“预囚禁。”有了共生体和祖先,可以说,戴尔和他的同事们去研究两者之间的遗传差异。

一堆死象鼻虫

遗传分析是繁琐的工作。Dale的同事,博士后研究员Shinichiro Enomoto,花了三年时间创造了数百种S. praecaptivus突变株,缺乏可能对细菌在昆虫宿主中茁壮成长的重要基因。然后将突变体注射到象鼻虫中以观察每个基因突变如何影响细菌的功能。

主要目的是确定祖先的基因,使其能够抵抗昆虫免疫系统的作用。然而,一个突变表现出意想不到的险恶行为。受感染的象鼻虫会在两周内死亡。

戴尔说:“他们变得不动了,死了。”“我们以前从未见过。”

这种突变影响了一种称为“群体感应”的监管系统,它允许细菌感知昆虫自身种群的大小。在S. praecaptivus中,群体感应基因控制在毒力中起作用的基因,或细菌积极进入细胞的能力。许多引起疾病的细菌使用毒力因子来侵入和破坏细胞,并且当它们的种群达到发生毁灭性攻击的临界阈值时,它们通常使用群体感应来激活这些毒力因子。另一方面,S. praecaptivus使用群体感应来确保仅在感染开始时部署毒力,以确保成功建立。

戴尔说:“这种特殊的遗传程序设计允许它利用毒力进入细胞,然后关闭毒力,以保持良性或友好的关联。”

随后的测试证实了群体感应和毒力的作用。恢复群体感应的机制导致健康的象鼻虫。同样,缺乏群体感应但缺乏杀虫毒素基因的S. praecaptivus突变体对宿主的危害较小。

一个出租车类比

戴尔提出昆虫和细菌之间的共生关系是由于细菌利用昆虫作为载体(出租车)在其他植物和动物宿主之间传播而在环境中感染而产生的。乘客乘坐出租车是因为他或她想乘车前往目的地。出租车提供乘车但司机必须收费,否则他/她不能与其他人群竞争并将灭绝。为了抵消骑行的成本,预计细菌会为它们的昆虫“驾驶员”提供有益的东西。

“这提供了共生的手段,”戴尔说。“你已经找到了出租车司机想要的东西,比如金钱。然后很容易想象出你从不离开驾驶室的方式。”只要司机能够通过提供所有必需的营养来保持你的生命,他/她就可以获得特殊的好处 - 从不需要找到另一位乘客。

最后的边界就在我们身边

戴尔指出,微生物学研究长期以来一直关注影响人类,动物和经济重要作物的物种。细菌鉴定和测序的最新进展已经允许越来越多的环境,包括我们的皮肤,口腔和内脏,放弃其微生物生物多样性的秘密。但戴尔说还有更多值得探索的地方。“我们经历了对奇怪而美妙的采样火山泉,地下冰冻湖和核反应堆的迷恋,现在我们对微生物组及其在人类健康中的作用着迷。但是,显然有很多值得学习的东西,特别是微生物生态学的领域,从研究树枝等看似平凡的物品的微生物群,“他说。

至于S. praecaptivus,虽然Dale的实验室已经进行了详尽的遗传工作,以确定导致象鼻虫杀伤的毒力基因,但他说这并不详尽。戴尔说:“科学目前还不知道哪些新的基因是导致象鼻虫死亡的原因。这既令人生畏,又令人生气。”

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