Cell | 何灵尘等发现跨物种基因水平转移新机制——尾部劫掠

摘要：细菌间的基因水平转移（horizontal gene transfer,HGT）在细菌进化、环境适应、耐药基因扩散及致病菌的形成中至关重要。许多介导HGT的可移动遗传元件（mobile genetic elements,MGEs），包括噬菌体卫星（phage

细菌间的基因水平转移（horizontal gene transfer,HGT）在细菌进化、环境适应、耐药基因扩散及致病菌的形成中至关重要。许多介导HGT的可移动遗传元件（mobile genetic elements,MGEs），包括噬菌体卫星（phage satellites），的跨物种传播的机制尚未可知。

衣壳形成型噬菌体诱导的染色体岛（capsid-forming phage-inducible chromosomal island,cf-PICI）是一类在自然界中广泛分布的噬菌体卫星。它们平时整合于细菌染色体，通过细胞分裂进行垂直传播，而其水平传播依赖辅助噬菌体（helper phage）的生命活动。在辅助噬菌体诱导之后，不同于其他经典噬菌体卫星需要劫持辅助噬菌体的包装系统以形成完整的病毒体（virion），cf-PICI可以构建自己的衣壳，同时劫持辅助噬菌体的尾部以完成病毒体的组装。辅助噬菌体最终裂解宿主，释放这些病毒体，使其感染新的宿主细胞。

然而，由于细菌表面受体差异及其他物理屏障的存在，噬菌体及其卫星通常宿主范围极窄，往往只能感染单一物种，甚至特定菌株。那么，卫星病毒cf-PICI如何实现跨物种的广泛分布？

2025年9月9日，伦敦帝国理工学院的José R. Penadés和TiagoR.D.Costa团队在Cell杂志上发表了文章 Chimeric infective particles expand species boundaries in phage-inducible chromosomal island mobilization，回答了这一问题，发现跨物种基因水平转移的新机制。

该研究发现了一种新的基因水平转移机制，命名为“尾部劫掠”（tail piracy）。在诱导之后，cf-PICI可以产生无尾的无感染能力的衣壳颗粒。当这些无尾衣壳颗粒被释放到细胞外，它们可以与环境中游离的不同的噬菌体尾部结合，形成具有感染能力的嵌合病毒体。这些嵌合颗粒的宿主范围取决于所结合尾部的来源和向性，从而实现cf-PICI在细菌属内及属间的传播。

该研究还揭示了实现“尾部劫掠”的关键：cf-PICI的生命周期可以涉及多个辅助噬菌体——一个负责诱导，另一个提供尾部。在某些情况下，cf-PICI甚至无需辅助噬菌体的诱导即可在胞内积累无尾颗粒，任何导致细胞裂解的因素均可释放这些颗粒。这一发现揭示了此前未知的噬菌体与其卫星之间的复杂关系，颠覆了传统观点中“一个卫星依赖单一辅助噬菌体完成生命周期”的模式。研究还指出，衔接基因（adaptor 与 connector）不仅在衣壳–尾部嵌合体的组装中起核心作用，同时在无尾衣壳进化中表现出高度变异性。此外，该研究揭示了cf-PICI与HK97噬菌体衣壳在进化上的同源性，但cf-PICI通过静电互补性及精细调控的非共价相互作用，避免了与噬菌体衣壳装配过程的干扰，从而确保其DNA高效且专一的包装。

总体而言，该研究发现了一种新的生物实体——无尾cf-PICI衣壳颗粒，阐明了噬菌体与其卫星之间此前未知的复杂关系，并发现了一种简单、精巧的基因水平转移机制“尾部劫掠”。该机制使cf-PICI能够绕过宿主屏障，显著拓宽宿主范围，实现DNA在不同属间的水平转移，对细菌进化及新菌株形成具有重要意义；同时，该机制为噬菌体及其卫星的生物学研究以及基因递送系统工程提供了全新的视角。

伦敦帝国理工学院Lingchen He（何灵尘）和 Jonasz B. Patkowski为该论文第一作者，Tiago R. D. Costa和José R. Penadés为该论文的通讯作者。Lingchen He, Jonasz B. Patkowski, Tiago R. D. Costa和José R. Penadés构想了该研究。

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