近日，上海交通大学生命科学技术学院、微生物代谢国家重点实验室董涛团队揭示了细菌如何应对外来攻击所采用的多种防御策略，阐明了一种独特的细菌间“以牙还牙”（Tit-for-tat）的作用机制。相关研究成果以“Differential cellular response to translocated toxic effectors and physical penetration by the type VI secretion system”为题发表于Cell Press旗下Cell Reports杂志。上海交通大学硕士研究生梁小夜、博士研究生裴同同为共同作者，董涛研究员为通讯作者。本文是董涛团队在前期工作的基础上(1–3)，通过继续深入探讨病原细菌互作机制而取得的新成果，对抑制病原细菌并开发新的治疗手段有重要价值。

董涛团队长期研究的是细菌VI型蛋白分泌系统（T6SS）。它是一种针状武器，广泛存在于革兰氏阴性细菌中，并能够将多种具有不同抗菌活性或细胞毒性的效应蛋白在2毫秒内直接注射到受体细胞内。以霍乱弧菌为例，其T6SS能够在三小时内将相邻的99.9%的大肠杆菌杀死。T6SS细菌通过合成特异性的免疫蛋白来抑制毒性和实现自我保护。2013年，哈佛大学的Mekalanos实验室发现铜绿假单胞菌Pa可以利用其T6SS有效的杀死相邻的霍乱弧菌Vc，但是不会攻击失去T6SS活性的Vc，说明Pa能够感知VcT6SS对其的刺激并作出特异性的反击(4)。在Pa与VcT6SS+ 和VcT6SS- 的细菌共存时，只有VcT6SS+会被Pa选择性的清除，而VcT6SS-能够与Pa共存。这种现象被称为Tit-for-tat，或者“以牙还牙”。然而，Pa如何感知VcT6SS的攻击是领域内长期没有解决的问题。

在本研究中，董涛团队通过构建一系列霍乱弧菌VcT6SS效应蛋白活性突变体，并进行相关的生化实验及显微观察实验，系统性的比较了铜绿假单胞菌在受到VcT6SS的物理穿刺和不同效应蛋白攻击时作出的响应。作者发现Pa在受到具有磷脂酶活性的效应蛋白TseL攻击后，会迅速激活自身的T6SS并反击Vc，而T6SS针状武器本身的穿刺作用以及其他效应蛋白则不能够激活Pa的T6SS。 

作者同时发现铜绿假单胞菌和大肠杆菌对针状武器的穿刺作用以及效应蛋白的攻击会做出不同的响应。在受到VcT6SS攻击后，大肠杆菌能够利用其多种胁迫应激系统抵御T6SS物理性的穿刺以及TseL的毒性作用，但在受到破坏细胞壁的VgrG3和破坏细胞膜的VasX效应蛋白攻击时，会被迅速的杀灭。铜绿假单胞菌则利用其胁迫应激系统对Vc所有的效应蛋白都有较强的防御效果。因此，作者通过对T6SS“以牙还牙”这一特殊现象的研究，一方面揭示了一种新的不依赖于免疫蛋白的保护机制及T6SS分泌多个不同毒性蛋白的必要性，另一方面也表明了菌群竞争对细菌应激胁迫反应的作用机制有重要影响。

微生物广泛存在于多种复杂环境。在过去的研究中，领域内对于细菌防御机制的探究往往聚焦于特定的实验室环境，例如抗生素的杀菌压力，忽视了在自然环境中细菌如何应对其他竞争者的攻击。 而这些来自于同一生态位的细菌间的竞争可能对细菌的进化起到决定性的作用。这项研究表明，细菌在进化过程中一方面不断丰富和强化自身的武器，另一方面也在通过特异性和非特异性的保护机制稳固自身的抵御能力。这种持续的“矛与盾”的军备竞赛对研究和理解细菌在复杂菌群中的存活及病原菌的侵染机制是不可或缺的。同时在抗生素耐药性日趋严重的时代，对微生物广泛存在的非特异性免疫机制的探索开辟了一类充满前景的靶标。依托相关研究设计新型抗菌药物，或者提高传统抗生素杀菌效用的抗菌佐剂，对于开发高效的病原菌治理策略及创新疗法具有重要意义。

图：铜绿假单胞菌与大肠杆菌响应T6SS攻击的非特异性保护机制

该研究获国家自然科学基金委(31770082)等多个项目的支持。文章链接：https://doi.org/10.1016/j.celrep.2020.107766

相关资料：

1. Liang X, Kamal F, Pei T-T, Xu P, Mekalanos JJ, Dong TG. 2019. An onboard checking mechanism ensures effector delivery of the type VI secretion system in Vibrio cholerae. Proc Natl Acad Sci 116:23292–23298.

2. Hersch SJ, Watanabe N, Stietz MS, Manera K, Kamal F, Burkinshaw B, Lam L, Pun A, Li M, Savchenko A, Dong TG. 2020. Envelope stress responses defend against type six secretion system attacks independently of immunity proteins. Nature Microbiology 5:706–714.

3. Pei T-T, Li H, Liang X, Wang Z-H, Liu G, Wu L-L, Kim H, Xie Z, Yu M, Lin S, Xu P, Dong TG. 2020. Intramolecular chaperone-mediated secretion of an Rhs effector toxin by a type VI secretion system. Nature Communications 11:1865.

4. Basler M, Ho BT, Mekalanos JJ. 2013. Tit-for-tat: type VI secretion system counterattack during bacterial cell-cell interactions. Cell 152:884–894.