大多数细菌可能在至少一部分时间内存在或处于单细胞状态。在这种单细胞状态下，细菌会更容易受到一系列威胁，包括其周围环境的物理或化学性质的简单波动，更容易受到更直接的生物威胁，如抗生素、噬菌体、拮抗细菌，甚至捕食性单细胞真核生物。因此，每一个细菌细胞都必须具备应对这种威胁的能力，而单细胞生命在微观尺度上

大多数细菌可能在至少一部分时间内存在或处于单细胞状态。在这种单细胞状态下，细菌会更容易受到一系列威胁，包括其周围环境的物理或化学性质的简单波动，更容易受到更直接的生物威胁，如抗生素、噬菌体、拮抗细菌，甚至捕食性单细胞真核生物。因此，每一个细菌细胞都必须具备应对这种威胁的能力，而单细胞生命在微观尺度上的压力和威胁是细菌进化形成的主要力量。对自然群落中拮抗作用的研究表明，拮抗作用可以发挥多种作用，从促进原始生境的定殖到维持细菌群落的稳定。

细菌与其环境相互作用的研究一直集中在获取营养和抵抗非生物胁迫的策略上。这种担心淡化了细菌生命的第三个方面，这也是它们存在的一个同样重要的方面:抵抗细菌生存的威胁。刚才华盛顿大学医学院发表在《当代生物学》上的一篇题为《 细菌间拮抗作用在细菌生命中的中枢作用》的文章对这个问题进行了详细的论述和论证，证明了细菌间拮抗作用的普遍性和重要性。细菌间拮抗途径的多样性和普遍性越来越明显，细菌间释放毒素靶标的隐藏方式强调了这些过程的高度进化性质。对抗手段的普遍性必须与同样广泛的防御策略相匹配。这些与具有明确特征的中央应激反应途径重叠，这突出了细菌相互作用对塑造细胞生理学的贡献。

背景:

一种细菌可能具有与另一种典型细菌相同甚至更高的地位，并对这种典型细菌构成威胁。综合分析，考虑并权衡了地球上细菌的主要栖息地，得出20-80%的细菌是表面相关的，这在小范围内证明了细菌的多样性，往往是细菌物种之间的细胞-细胞直接接触。这些观察延伸到栖息地，如土壤、深海和大陆下部结构、人类肠道和口腔。因此，有一个合理的“物理证据”表明细菌通常生活在彼此附近。现在，要理解这些相互作用中发生了什么，也就是说，它们在本质上是对立的还是合作的，我们必须从体外实验、基因组证据和理论模型中进行推断。

拮抗途径的多样性和普遍性

自从20世纪初从链霉菌中分离出第一批抗生素以来，人们已经意识到细菌具有杀死或抑制其他细菌生长的能力。 

 但是随着细菌学作为一门以研究纯培养中的生物体为重点的学科的逐渐发展，细菌间相互作用的表征不再流行，细菌拮抗作用的研究主要局限于寻找临床相关的抑制分子。21世纪初，人们发现细菌也可以通过特殊的分泌系统对近邻使用抗菌毒素。很快发现这种机制非常普遍，促进了细菌间拮抗作用研究的复兴。

随着研究兴趣的增加和基因组数据的涌入，发现细菌间拮抗机制的速度越来越快。现已证明所有主要门都有拮抗途径，包括许多情况下的接触依赖和非依赖机制(表1和2)。已鉴定的扩散毒素包括经典的小分子抗生素，这是链霉菌的研究重点，也包括蛋白质毒素，其大小从肽到多亚基组合不等。接触依赖性拮抗作用是由多种特殊分泌系统介导的，包括革兰氏阴性菌的IV、V、VI途径和革兰氏阳性菌的Esx分泌系统。这些系统中的每一个都将有毒的效应蛋白传递给邻近的细胞，并使用同源的免疫蛋白来防止自身和亲属中毒。

细菌之间的接触依赖性拮抗作用也可以通过其他途径发生，如外膜融合介导的粘球菌毒素的交换，芽孢杆菌表面相关的淀粉样细菌素的产生，芽孢杆菌羧基端毒素结构域肽聚糖锚定的YD重复蛋白的产生。

从系统发育的角度来看，不仅细菌之间的拮抗机制多种多样；一个单一的物种本身可以编码各种对立的武库。

多样化发生在许多层面，包括携带各种独特拮抗机制的物种(图1)，给定机制的非冗余形式(即多种毒素输出和分泌途径)，以及通过单一传递系统传递的过量效应器。生物体中发现的拮抗途径的总和可以占细胞总编码能力的重要部分。例如，铜绿假单胞菌编码至少六种不同的中毒竞争对手的方法，它们共同构成了190 kb (3%)的基因组(图1A)。其中一些包含相关系统的非冗余版本，包括三个VI型分泌系统(T6SS)，每个分泌系统与多达七个独特的分泌效应器相关联。它还拥有编码两种接触依赖抑制(CDI)和三种可扩散蛋白毒素(称为脓菌素)的基因。革兰氏阳性枯草芽孢杆菌编码相似但广泛但不重叠的拮抗机制(图1B)。

细菌间毒素潜伏期

细菌之间拮抗途径的有效性不仅是其毒素内在功效的函数。毒素必须克服细胞防御系统产生的耐受性，细胞防御系统因毒素造成的损害而被激活。作用于细胞质分子的毒素必须突破细胞包膜，成功的中毒策略应该相对不受耐药性的影响。

许多抗菌毒素作用于难以从细胞外进入的分子。例如，似乎大多数T6SS毒素在周质中起作用，尽管有一些争议，但证据表明，至少在铜绿假单胞菌中，分泌装置最初将其抗菌蛋白输送到隔间。因此，具有细胞质靶标的T6SS底物需要一种手段来穿透细菌的内膜。虽然这些蛋白进入细胞质的细节尚不清楚，但似乎T6SS毒素不需要通过接触依赖抑制(CDI)系统转移毒素的特异性内膜受体。

的确，绿脓杆菌T6SS毒素Tse6似乎通过一种相当独特的机制克服了这一障碍。该毒素可降解细胞内碱性代谢产物烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD)，并与细胞中最丰富的蛋白质之一延伸因子Tu(Ef-Tu)密切相互作用。这种相互作用对于生化活性和毒素分泌是必不可少的，但破坏Tse6-Ef-Tu相互作用会使蛋白质完全不能作用于受体细胞。缺乏对其机制的详细了解，但出现了一个简单的模型，其中Ef-Tu相互作用可能通过动态捕获细胞质中的Ef-Tu相互作用基序来促进内膜上的Tse6易位。

通过T6SS、T4和Esx的分泌系统输送毒素需要长期的细胞间接触，这阻止了在流体条件下使用这些拮抗机制。相反，由T5SS介导的CDI途径可以在液体培养中生长的细胞之间发挥作用。  CDI毒素具有一系列独特的特性，在与靶细胞相对短暂的接触后介导其摄取。  CDI毒素以前被描述为“杆上的毒素”，因为它们由延伸的氨基末端细丝组成，该细丝通过b-桶蛋白和生产细胞上的毒素结构域传递到细胞，该毒素结构域的羧基端固定在分泌位点。该报告表明，在没有靶细胞的情况下，在毒素或邻近的FHA-2结构域被挤出之前，细丝的分泌将停止。这导致发夹结构的表面出现，该结构由毒素的丝状部分的前半部分组成，其末端具有负责靶细胞中受体结合(RBD)的结构域，而其余部分在分泌前通过蛋白质延伸到分泌通道或位于周质中。当RBD与靶细胞上的受体结合时，分泌停滞得到缓解，FHA-2结构域与靶细胞的外膜结合并嵌入其中。这反过来促进羧基末端毒素结构域向靶周质的转移。 毒素中特定的富含脯氨酸的结构域已被证明与分泌停滞有关。值得注意的是，缺乏这一结构域的细胞在固体培养基中仍然可以毒害靶细胞，但失去了在液体培养中发挥作用的能力。这项研究表明，抗菌毒素对其目标分子的获取对有效输送它们的条件有着深远的影响。

毒素的独创性远远超出了它们达到目的的险恶方式；如果没有办法颠覆抗性的出现，毒素很快就会被解除。一种“数量优势”方法，即通过不同机制同时输送多种毒素，可能在接触依赖型毒素输送系统中有所发展，在一定程度上解决了这个问题。这种策略还有一个额外的优势，即它允许毒素协同作用，并在一系列环境条件下促进中毒，否则这些环境条件可能使单一毒素的活性无效。

个别毒素也可以有自己的抗颠覆解决方案。如变形沙雷氏菌的ADP-核酶和T6SS的底物Tre1，主要是通过修饰细胞分裂素FtsZ来阻止细胞分裂而中毒。但是Tre1的活动并不局限于这个目标。它能够随意修饰核糖酯表面的精氨酸残基，使Tre1能够修饰其他必需的蛋白质。因此，如果FtsZ获得了一个使其对修饰产生抗性的突变，原则上Tre1仍然可以通过其他方式使细胞失活。

自然环境中细菌之间的拮抗作用

虽然基因组证据和实验室研究对跨域细菌拮抗机制的普遍性没有疑问，但这些机制在自然环境中的作用才刚刚开始引起人们的关注。很难在原位监测生物之间的相互作用，特别是在高度多样化的栖息地或难以实时访问的地方，如哺乳动物的肠道。

然而，使用一系列方法和不同模型系统的研究已经开始出现，这表明拮抗作用可能是细菌生境的共同特征。

土壤中含有地球上最多样的微生物群落之一，长期以来被认为是一种拮抗生物。最近，已证明来自特性不明显的酸细菌、疣粒菌属、Gemmatimodetes和Rokubacteria的土壤细菌编码多种途径来产生可用作抗菌药物的次生代谢物。然而，在土壤细菌中经常检测到交叉摄食和降解协同等协同特征，这导致一些人对这种环境中的拮抗作用提出质疑。经典生态学理论预测，两种生物生存的生态位重叠越多，参与竞争行为的可能性越大，从而得出土壤细菌之间的拮抗作用在相邻的相关生物中最强的假设。有两种细菌，链霉菌属。和假单胞菌

荧光素类)，能产生小分子抗菌剂，参与细菌素介导的拮抗作用。来自同一采样点的链霉菌比从偏远地区采集的链霉菌对更有可能表现出拮抗作用，如果它们表现出相似的营养需求的话。

和链霉菌一样，营养需求相似的荧光假单胞菌菌株之间的相互抑制作用强于营养需求不同的菌株。值得注意的是，这两项研究都发现，抵抗拮抗的能力比主动抑制另一种菌株的能力更广泛。

从相关土壤细菌之间的相互作用中，获得了两个进化结果:获得对竞争菌株产生的毒素的抗性和/或避免拮抗的专门营养。对其他细菌种群的研究将有助于理解这些细菌是否是土壤生物中的常见现象。

考虑到微生物在哺乳动物肠道中的定殖密度，由栖息在这种生态系统中的细菌编码一系列拮抗途径就不足为奇了。但在没有扰动的情况下，肠道微生物群落非常稳定，这就提出了一个问题，即在这种环境下，如何以及何时使用拮抗机制。这可能是肠道拮抗作用是至关重要的调解细菌之间的竞争在婴儿的最初殖民。类杆菌T6SS基因丰度宏基因组数据集的分析似乎支持这一点。脆弱杆菌特异性T6SS在婴儿群体中比在成人中更常见。使用生物小鼠和模型群落的实验支持该系统在肠道定殖中的作用。事实上，脆弱芽孢杆菌的T6SS有助于草食小鼠对敏感菌株的定殖抗性。

然而，对成人肠道菌群中包括T6SS在内的拮抗途径的测量表明，它们也起着除初始定殖以外的作用。事实上，脆弱芽孢杆菌的T6SS有助于非生物小鼠对敏感菌株的定殖抗性。此外，另外两种拟杆菌T6SS及其各自的效应器编码在移动元件上。有证据表明，在同一宿主上定殖的菌株，通过水平转移获得和维持这些元素的选择性压力很强，导致了效应基因和免疫基因对的相容性。

在成熟的肠道菌群中，支持拮抗作用的其他证据来自获得性细菌防御(AID)和重组相关AID(rAID)系统的发现。这些由孤儿免疫基因组成的类杆菌素普遍存在于成人肠道宏基因组中，能够完全中和拮抗类杆菌菌株传递的相应毒素。有趣的是，rAI簇表现出主动基因获取的特性，表明它们可以起到适应性免疫功能的作用——类似于CRISPR阵列，但可以防御细菌之间的拮抗作用而不是噬菌体的攻击。

与rAID簇中编码的许多基因最接近的同源物是T6SS以外的与毒素传递途径相关的免疫基因，这些基因在拟杆菌属以外发现，这增加了该系统可以为不同拮抗剂提供保护的可能性。这些孤儿免疫基因簇在肠道细菌中的流行表明，获得对当地产生的毒素的抗性促进了原本不相容的菌株的共存，这反过来可能有助于社区的稳定。

进一步的证据支持成熟肠道菌群拮抗作用的关键特性来自于获得性细菌间防御(AID)和重组相关AID(rAID)系统的发现。这些类杆菌由孤儿免疫基因组成，广泛存在于成人肠道异源基因组中，能完全中和拮抗类杆菌菌株传递的相应毒素。有趣的是，rAID簇表现出主动基因获取的特性，这表明它们可以发挥一种适应性免疫功能——类似于CRISPR阵列，但用于防御细菌而不是噬菌体攻击。与rAID簇中编码的许多基因最接近的同源基因是与毒素传递途径相关的免疫基因，而T6SS在类杆菌门外发现，增加了系统为不同拮抗剂提供保护的可能性。这些孤儿免疫基因簇在肠道拟杆菌中的流行表明，获得对当地产生的毒素的抗性促进了其他不相容菌株的共存，这反过来可能有助于群落的稳定。

作为可扩散抗菌剂在成熟肠道菌群中的作用的一个例子，已经鉴定出一种四元细菌群落，其在小鼠中对万古霉素肠球菌(VRE)具有定殖抗性。这种预防作用需要革兰氏阳性细菌布劳蒂亚生产一种广谱特异性抗菌肽。强调在临床实践中，耐定植性可发挥重要作用。接受造血细胞移植的病人对VRE感染很敏感，他们有产生这种抗生素的基因。

由革兰氏阴性菌产生的可分散的抗菌剂也在肠道菌群中发挥重要作用。拟杆菌分泌的抗菌蛋白，称为拟杆菌分泌的抗菌蛋白(BSAP)，其靶向靶细胞上的特定表面分子。对BSAPs的抗性是广泛的，并通过邻近毒素基因的其他靶基因的表达来介导。

在人类肠道易位基因组中，当BSAP基因存在时，具有抗性目标等位基因的菌株将被富集；因此，就像拟杆菌T6SS介导的拮抗作用一样，这些生物产生的可扩散抗菌蛋白可能在不同个体中定植的菌株之间进行相容性选择。

上面描述的例子强调了细菌对抗在原始栖息地定居和保护已建立种群中的潜在作用。研究表明，这些途径的第三个功能是介导入侵。霍乱弧菌、霍乱弧菌和鼠伤寒沙门氏菌都编码T6SS，这有助于肠道菌落的定植或体内共生物种的形成。细菌素也能介导肠道入侵。产编码细菌素质粒的粪肠球菌能特异性入侵并替代天然粪肠球菌，通过改变共生微生物群落，单核细胞增生李斯特菌强毒株产生的细菌素能促进小鼠肠道定殖[93]。而单核细胞增生李斯特菌菌株产生的细菌素通过改变共生微生物群落促进小鼠肠道定殖。

拮抗机制可以配合外界干扰促进病原体入侵。发现大肠杆菌素1b是鼠伤寒沙门氏菌的一种肠杆菌科特异性细菌素，只有在炎症过程中才有助于其与小鼠肠道内的共生大肠杆菌菌株竞争，通常破坏肠道群落结构，促进蛋白菌种的生长。有趣的是，在这种情况下，肠道共生物种可以采取反策略。大肠杆菌Nissle通过产生称为微粒体肽的抗菌肽来抑制入侵沙门氏菌的生长，微粒体肽是对低铁(肠道炎症的标志)的反应。另外，微量元素通常与铁载体偶联，从而促进靶细胞中铁载体对铁载体的吸收，靶细胞必须主动除铁才能维持活性。

实验研究提供了证据，证明细菌之间的拮抗作用是微生物群落中的一个常见方面，因此出现了拮抗作用如何影响群落动态的问题。该报告显示，许多栖息地的高水平细菌多样性可以用合作代谢交叉摄食来解释。然而，这些研究往往不能清楚地解释活性的拮抗机制，而只关注营养物质的竞争。

关于拮抗细菌和开发细菌之间的合作和竞争对人类肠道群落动态的影响的数学模型表明，与直觉相反，拮抗促进稳定。在这种分析中，合作是不稳定的，因为物种之间有可能建立依赖关系，这将对群落产生整体不稳定的影响。相反，对抗促进了广泛多样性水平的稳定。这项研究还证实，空间隔离是一种通过抑制物种相互作用的程度来促进社区稳定的机制。

最近对鱿鱼共生细菌费氏弧菌T6SS系统在宿主定殖过程中的作用的研究提供了一个真实的例子，它显示了空间隔离和拮抗对构建微生物群落的协同作用。在这个例子中，作者发现，编码T6SS的费氏弧菌菌株和那些容易中毒的菌株可以在同一动物体内共存，但只能通过在鱿鱼照明器中占据不同的空间隔离的穴来实现。

对抗性防御

如果细菌之间的拮抗作用在微生物生活中广泛存在，如基因组学、力学、原位和上述理论研究所表明的，细菌将进化出许多方式来抵御这些攻击。一个潜在的防御机制只是为了发动更好的攻击，这可能是导致对抗机制多样化的一个因素，这是由单一菌株编码的。生物体可以采取的相关策略是，根据特定竞争对手存在时特定活动的选择性优势，对其产生的毒素进行编码。后一种方法的例子是Rhs毒素。这些大型多态毒素由一个与羧基末端毒素相连的重复区域组成。

然而，这些对缺乏所需毒素的重复部分。在鼠伤寒沙门氏菌中，通过该细菌的重复传代，选择了一个含有Rhs毒素的克隆，其中祖先的CT结构域被下游的CT结构域取代。这种菌株的选择是通过打破编码这种CT毒素及其免疫决定簇的开放阅读框实现的。虽然重组介导的毒素结构域交换尚未在该系统中得到实验验证，但编码奈瑟氏球菌种的多态性MafB毒素的基因簇显示出相似的结构。

颠覆拮抗作用的第二种方式是获得免疫决定簇，可以保护机体免受特定毒素的侵害(图2)。如上所述，这似乎是肠道拟杆菌的共同特征。虽然到目前为止，这些生物是唯一编码免疫基因阵列的群体，但这些基因似乎是主动获得的，并已被功能性描述，还描述了被称为“孤儿”的免疫基因的其他例子，这些例子被预测为保护它们免受不编码它们的生物产生的毒素的侵害。

此外，与土壤中的生产者物种相比，土壤中具有小分子抗生素抗性的基因更多，这表明它们在保护靶细胞方面发挥了更广泛的作用。

众所周知，在临床环境中，细菌应激会导致抗生素耐药性。然而，这在很大程度上被认为是一个不幸的副作用，其真正的功能是提供对非生物压力的保护。

在抗菌拮抗作用的大量证据的背景下重新审视这些方法，我们认为提供针对生物攻击的保护实际上可能是它们在自然界中的主要功能。压力反应途径的例子支持了这一点，它提供了复杂的方法来对抗其他细菌产生的特定毒素的影响。例如，土壤细菌枯草芽孢杆菌利用一系列互补机制来抵抗镧系抗生素(许多革兰氏阳性菌产生的多环肽抗菌剂)的中毒。枯草芽孢杆菌对镧系抗生素的防御措施包括合成带负电荷的脂肪酸，这可以减缓阳离子肽穿过细胞壁的速度，并产生膜信号肽酶SppA，这被认为有助于细胞膜中肽抗生素的降解，诱导噬菌体休克蛋白质同系物，并保护膜免受成孔镧系元素的影响。

另一项将压力反应途径与细菌之间的拮抗作用联系起来的证据来自另一项研究，他们称之为竞争诱导。这些作者提出了细胞损伤表明存在拮抗竞争对手的假设，诱导拮抗的机制和修复系统同时提供了抵抗和对抗攻击的手段。在铜绿假单胞菌中，应激反应和拮抗途径的机制也是协同调节的，但由一种称为副(铜绿假单胞菌对拮抗的反应)的不同机制调节。可溶性抗菌毒素活性释放的细胞内自体成分被用作旁分泌信号，以刺激附近细胞中Gac/Rsm全局转录后调节途径的激活(图2)。随之而来的是T6SS等因素的引入，共同提高了与竞争对手的竞争力。Gac/Rsm调节剂中的许多基因没有已知的功能，这表明需要对该生物体中提供拮抗作用的其他机制进行表征。

结论

细菌之间拮抗途径的多样性和广泛分布有助于细菌适应环境并在众多环境中竞争生存。这一点非常重要，因为任何改造细菌群落(包括肠道微生物群落)以改变其特性的尝试都必须包括一种方法，使引入的生物体能够与它们经常遇到的其他细菌竞争。拮抗途径多样化的一个更微妙的潜在结果是，它们可能成为毒素的进化库，包括细菌病原体用于对抗哺乳动物宿主的毒素和在真核生物对抗细菌的水平上获得的毒素。

表1细菌拮抗的非接触依赖机制。

表2接触依赖细菌的拮抗途径

图1 细菌基因组中充满了编码细菌间各种拮抗途径的基因座。

图2革兰氏阴性菌对T6SS的防御途径。