霍乱是一种严重的脱水性腹泻疾病，也是世界上缺乏安全饮用水地区最严重的传染病之一。流行病不仅限于呼吸道感染，目前全球正处于第七次霍乱大流行之中。霍乱始于 20 世纪 60 年代初，由肠道细菌感染引起。在南亚部分地区，霍乱呈地方性流行（持续存在），而印度和孟加拉国——尤其是恒河三角洲和流域地区——长期以来被认为是霍乱全球传播的跳板 1 。引起霍乱的细菌（ 霍乱弧菌 ）的天然捕食者包括被称为噬菌体或噬菌体的病毒。人们很想了解这些相互作用在多大程度上影响了第七次霍乱大流行中的流行病学和演变。Barton 等人 2 和 Mathur 等人 3 在 《自然》杂志上发表的文章就对此进行了分析。

阅读论文：通过临床监测捕捉噬菌体-病原体动态协同进化

Barton 等人通过对监测研究中采集的细菌样本进行基因组测序，提供了地理视角。作者将他们的发现置于国际背景下进行探讨。Barton 及其同事发现，孟加拉国的霍乱弧菌种群与其噬菌体捕食者（尤其是名为 ICP1 4 的噬菌体）之间存在着复杂的进化“互动”。亲缘关系极其密切的霍乱弧菌亚系流行率起伏不定，其特征是基因组组成发生了改变。基因的获得和丢失对许多细菌来说并不罕见，但与邻国印度相比，孟加拉国的基因丢失速度异​​常之快，而且许多相关基因都参与了细菌对噬菌体的防御机制，这表明这些变化是由病毒进化压力导致的自然选择所致。

阅读论文：《全球霍乱大流行的演变》

尽管孟加拉国霍乱流行率很高，且有大量证据表明霍乱弧菌亚系在该国迁徙，但只有少数菌株传播到其他国家。霍乱是一种通过粪口途径传播的水源性疾病，因此，影响河流、水库和洪水期间水流的因素（水文特征）通常被认为是疾病传播的关键因素。然而，Barton 及其同事的研究表明，国界对疾病传播构成了更大的障碍，孟加拉国和印度的霍乱弧菌种群似乎主要独立演化。作者认为，这表明人口流动在该地区霍乱的传播中起着至关重要的作用，并且在研究期间，全球重要霍乱菌株的直接来源地更频繁地是印度而非孟加拉国。

有趣的是，成功在国际上传播的霍乱弧菌菌株更可能丢失噬菌体防御基因，而且这类菌株也与重症相关；而粪便样本中噬菌体的存在却与较轻的感染相关 5 。这似乎是一个悖论。为什么拥有噬菌体防御机制的细菌反而比缺乏这种机制的细菌病情更重呢？在没有噬菌体的情况下，抗噬菌体系统对细菌来说可能代价高昂 6 ，尤其是在面对已经进化出自身反噬机制的噬菌体时，代价就更高了。

揭开第七次霍乱大流行中霍乱弧菌菌株缺失质粒之谜

Mathur 等人对这场协同进化军备竞赛进行了深入剖析，巧妙地融合了临床观察、功能遗传学、实验进化和结构生物学。2022 年 3 月和 4 月，孟加拉国爆发大规模霍乱疫情，超过 4 万人在位于达卡的孟加拉国国际腹泻病研究中心接受治疗。与此同时，一种名为 PLE11 的新型细菌抗噬菌体移动遗传元件出现，并在不到一年的时间内迅速席卷了霍乱弧菌的流行群体。在此期间采集的所有噬菌体基因组都依赖于同一种防御机制：一种核酸酶。实验证实，PLE11 对于保护细菌免受这些噬菌体的攻击是必要且充分的，拥有 PLE11 赋予了细菌强大的选择优势。

作者系统性地删除了 PLE11 上的基因，发现 PLE11 的部分防御活性依赖于一种名为 Rta 的小蛋白（图 1）。进一步分析揭示了其机制。Rta 阻断噬菌体尾部的组装，而尾部结构是噬菌体附着于细菌的关键。Rta 靶向尾部结构所依附的支架蛋白。它与 PLE11 编码的诱饵尾部组分共同作用，干扰尾部的构建，从而产生完整的噬菌体“头部”，使其无法附着于细菌。至关重要的是，Rta 在霍乱弧菌感染开始前就已存在于细胞内，因此即使在噬菌体感染细菌并利用其反防御机制破坏 PLE11 序列后，Rta 仍能继续发挥作用，这表明这种保护作用的持续时间超过了编码它的元件本身。

Figure 1; Two‑panel schematic showing interactions between Vibrio cholerae and ICP1 bacteriophage. Panel a shows PLE11‑mediated defence, where the bacterial factor Rta disrupts phage tail protein function, preventing infection. Panel b shows an evolved ICP1 phage encoding a CRISPR–Cas system that degrades PLE11, allowing successful infection despite the defence.

图 1 | 影响霍乱传播的因素。Barton 等人 2 和 Mathur 等人 3 研究了影响霍乱演变和传播的因素。a ， 引起霍乱的霍乱弧菌可被一种名为 ICP1 噬菌体的病毒杀死。然而，在某些情况下，该细菌获得了防御机制。ICP1 感染后，一种名为 PLE11 的遗传元件从细菌基因组中被切除，形成环状 DNA。PLE11 编码的蛋白质包括 Rta（在感染前表达）和诱饵尾蛋白，它们通过干扰噬菌体必需组分——尾部的产生来阻碍噬菌体的复制 。b ，这种细菌防御机制导致一些噬菌体进化出反防御机制。除了拥有不受 Rta 抑制的尾部蛋白变体外，这些噬菌体还编码一种名为 CRISPR-Cas 的基因编辑系统。该系统利用 Cas 蛋白和引导 RNA 来靶向 PLE11 进行降解。

随后，监测数据揭示了故事的另一半。随着 PLE11 在细菌群体中迅速蔓延，原有的噬菌体无法复制，最终出现了一种新的 ICP1 菌株，该菌株携带一种靶向 PLE11 的基因编辑 CRISPR-Cas 防御系统；此外，该菌株还携带使其能够逃避 Rta 噬菌体的突变。这些突变几乎完全出现在实验室进化研究预测的基因区域（尽管氨基酸替换略有不同），这有力地证明了噬菌体驱动的自然选择。

一些关键问题仍有待解答。PLE11 的获得与 2022 年的严重疫情有关，但 Barton 等人发现，在早期，细菌噬菌体防御系统通常与较轻的疾病相关。这是否反映了负频率依赖性选择，即最初有利的防御机制一旦占据主导地位，噬菌体有时间进化出应对措施，就会变得代价高昂？同样的逻辑是否也适用于噬菌体的反适应？

霍乱弧菌具有能够降解质粒入侵者的防御机制。

最后，如果噬菌体介导的选择对孟加拉国的细菌有如此强大的影响，为什么这种选择似乎止步于国界？这是否意味着除了噬菌体之外还存在其他选择压力？要回答这个问题，需要在包括印度及其邻国在内的整个南亚地区进行具有地理代表性的采样。此外，还需要对来自相同临床和环境来源的细菌和噬菌体进行基因组监测，并开展充分的研究以追踪特定基因随时间的变化。同时，还需要直接测量不同疫情爆发季节噬菌体的复制能力。

在生物学中，我们在任何特定时刻观察到的现象都是多层次自然选择的结果。这些论文共同表明， 霍乱弧菌的进化和流行病学是由细菌、其噬菌体捕食者以及在它们之间传递防御和反防御机制的移动元件之间相互交织的冲突和选择所塑造的。对于其他细菌和其他疾病来说，情况可能有所不同，但就霍乱而言，它似乎是一场接一场的战斗。