PNAS：病毒及细菌的共演化“军备竞赛”

导语

病毒在和细菌之间的军备竞赛中，不仅会产生抗药性，还会提前做准备。近日 PNAS 的评论文章介绍了一项关于演化复杂性的新研究，该研究指出，通过引导演化，有望创造出更好的噬菌体疗法。

研究领域：共演化，生物复杂性，适应性景观

David Adam | 作者

郭瑞东 | 译者

邓一雪 | 编辑

演化可能是自私的，但很少孤独。例如，病毒和宿主的共演化通常被描述为一种错综复杂的舞蹈，就好像两个对手开展军备竞赛，争相发展新的战略和对策。

最近，一项新研究以前所未有的分子细节详细描述了这种演化舞蹈的一个经典例子，揭示了每个参与者采取的步骤以及顺序。在一系列的实验中，这项研究显示了作为宿主的细菌如何产生对攻击性病毒的抗性，病毒又是如何做出反应。研究结果表明，这种关系比科学家们以前认为的更加微妙，步骤也更多。

论文题目：

Host-parasite coevolution promotes innovation through deformations in fitness landscapes

论文地址：

https://elifesciences.org/articles/76162 

“我们在这篇论文中探寻的主要问题是有机体是如何创新的,”领导这项工作的加州大学圣地亚哥分校的生物学家 Justin Meyer 说。“我们的想法是，如果一个生物体周围的环境总是在波动和变化，那么它将探索更多的演化途径，最终它可能会发现一些东西，允许它获得一种新的功能。”

在最近发表在 eLife 上的这项研究中，研究人员调查了一种名为 lambda 噬菌体的病毒和大肠杆菌的共演化。病毒通常通过接触宿主受体 LamB (一种外部膜蛋白）进入细菌。但是实验室研究表明，这种病毒很容易演化到能进入第二个大肠杆菌受体，称为 OmpF⁺。

在以前的论文中，Meyer 和他的同事指出，要获得 OmpF⁺，至少需要四个突变。Meyer 已经在这个问题上工作了十年，他说，“所以，这一直是一个问题，好吧，如果一个性状需要四个突变，它如何得到第一、第二个突变，然后第三个，然后最终达到第四个突变?”

论文题目：

Repeatability and contingency in the evolution of a key innovation in phage lambda

论文地址：

https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/22282803/

为了回答上述答案，研究人员使用了高通量的基因编辑诱导表型分析技术。该技术可以追踪数百种病毒与其宿主细菌之间的相互作用。通过观察每个突变下的病毒和细菌如何相互作用，研究者可以专注于遗传学家所说的病毒的“适应性景观”: 即不同可能的基因型如何影响复制率。

结果出人意料。简单的寄生虫-宿主理论表明，寄生虫的演化是为了抵抗宿主的抗性。但在实验性的噬菌体-细菌系统中，病毒通常在细菌产生反应之前就发生了前两个突变。这使得病毒能够更好地通过 LamB 受体进入。只有到那时，当被迫防御这些更有效的突变病毒时，大肠杆菌才产生了抗药性。直到那时，病毒才发展出第三和第四个突变，它们需要访问 OmpF+ 受体。实际上，病毒只是被迫找到一种方法来使用第二个受体，因为它们已经变得太善于使用第一个受体了。

起初，噬菌体设法感染细菌，但没有施加那么大的选择压，Meyer 解释说。“在噬菌体改进之前,细菌没有演化出抗药性的动机。”当科学家们重新进行实验并将原始（未突变的）病毒暴露在已经具有抗药性的细菌中时，病毒就卡住了。他补充说: “它们没有得到最初的两个突变，也没有途径得到使用新受体所需的总共四个突变。”

澳大利亚墨尔本Monash大学的实验演化研究员Michael McDonald说：“揭示共演化这一舞蹈的分子细节是一个重大进步。“由于研究者已经产生了如此多的 lambda 噬菌体的遗传变异，并且可以如此仔细地测量它们的适应性，（研究人员）可以将噬菌体-宿主共演化的故事置于适应性景观的背景下，从而提供一个独特的视角。”

McDonald 建议，下一步可能是研究噬菌体在多种不同宿主基因型或多种细菌物种存在的情况下如何演化。Meyer 的研究小组目前正在与其他细菌-病毒对进行重复实验和分析。通过研究不同背景下适应性景观的变化，他们希望学到些什么，比如如何开发更有效的噬菌体疗法——这种对抗病原菌的策略在对抗猖獗的抗生素抗药性的绝望斗争中获得了更多关注。

Meyer说，“我们对演化已有很多了解，所以就让我们通过引导演化的方式，来获得能够对抗细菌防御机制的噬菌体，使用多种受体并制造更好的治疗方法。”

本文翻译自 PNAS 的评论文章

原文题目：How bacteria and viruses engage in an intricate evolutionary arms race，

原文链接：https://www.pnas.org/post/journal-club/bacteria-and-viruses-engage-intricate-evolutionary-arms-race

复杂科学最新论文

集智斑图顶刊论文速递栏目上线以来，持续收录来自Nature、Science等顶刊的最新论文，追踪复杂系统、网络科学、计算社会科学等领域的前沿进展。现在正式推出订阅功能，每周通过微信服务号「集智斑图」推送论文信息。扫描下方二维码即可一键订阅：

推荐阅读

点击“阅读原文”，追踪复杂科学顶刊论文