毒素⁃抗毒素系统的调控、生理功能及应用

Regulation， biological function and application of toxin⁃antitoxin systems

摘要

毒素⁃抗毒素（toxin⁃antitoxin，TA）系统是由抗毒素及其同源毒素组成的小遗传元件，毒素可以抑制细胞生长或诱导细胞死亡，抗毒素则可以中和毒素的毒性。根据TA系统的组成和抗毒素的作用方式，TA系统可分为Ⅰ~Ⅷ型共八类，其中Ⅱ型TA系统存在最广泛，调控机制研究得最清楚。TA系统可以维持质粒等遗传元件的稳定性，同时在压力应激、促进生物膜形成、维持细菌致病力、抗噬菌体等方面都扮演着重要角色。研究TA系统的调控与生理功能能丰富人们对于生物多样性的认知，对于微生物资源的开发和利用具有重要的科学意义与应用价值。基于毒素和抗毒素的特点，TA系统被应用于生物医学领域和生物技术领域。本文综述了TA系统的分类、调控机制、生理功能和应用并简单描述了TA系统目前研究面临的问题和未来展望。

Abstract

The toxin⁃antitoxin （TA） system is a small genetic element composed of antitoxins and their cognate toxins. Toxins can inhibit cell growth or induce cell death， while antitoxins can neutralize the toxicity of toxins. The TA systems can be divided into eight types （type I-VIII） based on their composition and antitoxin action mode， with type Ⅱ being the most popular and the regulation mechanism being the most clearly studied. The TA systems have the ability to maintain stability of plasmids and other genetic elements， and they also play important roles in stress response， biofilm formation， bacterial pathogenicity maintenance， anti⁃phage and so on. The study of the regulation and physiological functions of the TA systems can enrich people’s knowledge of biodiversity and has great scientific significance and application value for the development and utilization of microbial resources. Based on the characteristics of toxins and antitoxins， TA systems are used in biomedical and technological fields. In this paper， we provide a review of the TA systems in terms of their classification， regulatory mechanisms， biological roles and applications， and briefly discuss the current problems and future perspectives of research concerning the TA systems.

Graphical abstract

关键词

毒素⁃抗毒素系统 / 遗传元件维持 / 压力应激 / 调控 / 应用

Key words

toxin⁃antitoxin system / genetic element maintenance / stress response / regulation / application

0 引 言

毒素⁃抗毒素系统广泛存在于细菌和古菌的染色体、质粒和少数噬菌体中，由毒素和抗毒素两部分组成。毒素大多数是蛋白质，可以影响DNA复制、转录、蛋白质合成等必要生理过程从而抑制细胞生长或者诱导细胞死亡。抗毒素是蛋白质或RNA，可以阻碍毒素发挥功能，使细胞恢复到正常的生理状态来保护细胞。一般来说，毒素的结构相对比较稳定，而抗毒素的结构相对不稳定。

1983年首次发现大肠杆菌（Escherichia coli）mini⁃F质粒中的TA系统ccdAB（coupled cell division AB）有助于该质粒在大肠杆菌中稳定存在^［1］。随后，TA系统也被发现存在于其他细菌以及古菌的质粒和染色体中^［2］。TA系统不仅可以稳定质粒，还可稳定其他遗传元件，如基因组岛、整合接合元件（integrative conjugative elements，ICEs）和噬菌体等。TA系统还与致病菌的致病力有关，并可以通过促进生物膜形成和持留细胞产生使细菌能够抵抗各种压力。此外，TA系统还参与抵抗噬菌体侵染^［3］。随着对TA系统的深入研究，TA系统的应用以及调控也引起了人们越来越多的关注，研究TA系统的调控、生理功能以及应用对于微生物资源的开发和利用具有重要的科学意义与应用前景。本文将综述TA系统的分类、生理功能、调控机制及应用，并展望未来的研究方向。

1 TA系统的分类

根据TA系统的组成和抗毒素作用方式，TA系统可分为八类：

Ⅰ型TA系统（图1A）。该系统中毒素多数都是小疏水肽，通过插入细菌细胞膜破坏细胞膜的完整性，如大肠杆菌的hok/sok（host killing/suppressor of killing）系统中，毒素Hok可插入细胞膜形成小孔，使膜电位异常，抑制ATP合成。抗毒素是毒素的反义小RNA（small RNA，sRNA），可与毒素mRNA结合，从而阻碍毒素的翻译。例如大肠杆菌的symER（SOS⁃induced yjiW gene with similarity to mazE/symbiotic RNA，yjiW又称sosC）系统中抗毒素 symR RNA与毒素symE的mRNA结合，阻止核糖体结合到symE的mRNA上，从而抑制毒素的翻译^［4］。

Ⅱ型TA系统（图1B）。该系统中毒素和抗毒素都是蛋白质，毒素以多种方式干扰细菌正常生理活动，某些毒素是核糖核酸内切酶，如毒素MazF、RelE（relaxed E）特异性地切割某些mRNA。毒素基因和抗毒素基因位于同一操纵子上，抗毒素基因通常位于毒素基因的上游。抗毒素通过与毒素蛋白结合形成复合物进而结合到TA系统的操纵子上，抑制TA系统的转录。通常，在高温、氧化、噬菌体感染等压力胁迫下，抗毒素会被Lon、ClpP等蛋白酶降解，毒素会从复合物中游离出来进而干扰细胞一些必要的生理过程^［5］。

Ⅲ型TA系统（图1C）。该系统中抗毒素也是sRNA，抗毒素sRNA与毒素蛋白质直接相互作用，干扰毒素发挥毒性。如黑胫病果胶杆菌（Pectobacterium atrosepticum）的toxI/toxN（toxin inhibitor/toxin）系统中毒素ToxN是核糖核酸内切酶，它可以非特异性地切割细胞mRNA，从而使细胞死亡。ToxN可将抗毒素toxI前体切割为单体，toxI抗毒素单体与毒素ToxN相互结合，阻碍ToxN切割其他的mRNA，进而拯救细胞^［6］。

Ⅳ型TA系统（图1D）。该系统中抗毒素和毒素都是蛋白质，抗毒素可与其同源毒素的靶标结合，阻止毒素与靶标的结合。例如大肠杆菌的cbeA/cbtA（cytoskeleton bundling⁃enhancing factor A/cytoskeleton binding toxin A）系统，毒素CbtA可与骨架蛋白MreB和FtsZ结合并抑制它们之间的聚合，从而影响细胞形态并抑制细胞正常分裂，而抗毒素CbeA可与MreB和FtsZ结合从而抑制毒素CbtA与靶标的结合，使细胞维持正常形态并进行正常分裂^［7］。

Ⅴ型TA系统（图1E）。该系统中抗毒素是核糖核酸酶，可特异降解毒素mRNA从而抑制毒素蛋白的翻译。例如大肠杆菌ghoS/ghoT（cleaving specifically ghoT mRNA/toxin producing ghost cells）系统中GhoT毒素可以在细胞膜的磷脂双分子层之间形成α螺旋结构，破坏脂膜，从而增加膜通透性，使细胞正常生理活动受阻，而GhoS抗毒素可以特异性地切割ghoT的mRNA，干扰毒素发挥功能^［8］。

Ⅵ型TA系统（图1F）。该系统中抗毒素蛋白可与毒素蛋白结合促进毒素被蛋白酶水解，如新月柄杆菌（Caulobacter crescentus）的socAB（suppressor of ClpXP AB）系统中，毒素SocB可以结合β⁃滑动钳（β⁃sliding clamp），阻碍复制延伸，影响细胞正常生理活动，而抗毒素SocA作为毒素SocB的接头蛋白可以促进SocB被蛋白酶水解，使细胞进行正常复制^［9］。

Ⅶ型TA系统（图1G）。该系统中抗毒素与毒素都是蛋白质，抗毒素通过对毒素进行翻译后修饰从而使毒素失活。例如结核分枝杆菌（Mycobacterium tuberculosis）的Rv1044/Rv1045系统中，Rv1045编码毒素尿苷转移酶TglT（unusual type guanylyltransferase⁃like toxin），Rv1044编码抗毒素TakA（unusual type of atypical kinase antitoxin），TakA可以特异性磷酸化TglT的Ser78残基使其失活^［10］。

Ⅷ型TA系统（图1H）。该系统中抗毒素和毒素都是sRNA，抗毒素通过反义结合毒素使毒素失活或模仿CRISPR RNA招募Cas蛋白来抑制毒素的表达。如大肠杆菌的TA系统sdsR/ryeA中，毒素sdsR（sigma S⁃dependent sRNA）可抑制内膜蛋白基因yhcB表达，导致细胞死亡，而抗毒素ryeA可通过反义结合毒素sdsR干扰毒素发挥活性，使细胞处于正常生长状态^［11］。

2 TA系统的生理功能

自1983年维持mini⁃F质粒稳定的TA系统被首次发现后，TA系统的生理功能引起人们广泛关注。毒素虽然对自身细胞具有毒害作用，但抗毒素具有独特的解毒机制，能使整个TA系统可以在染色体或质粒上稳定存在，并发挥重要的生理功能。

2.1 致病菌致病力的维持

许多致病菌的毒力质粒均携带有TA系统。这些TA系统有助于毒力质粒的维持进而可以维持致病菌的致病力。例如福氏志贺氏菌（Shigella flexneri）的毒力质粒pINV_Sf上携带mvpAT（maintenance of virulence plasmid antitoxin/toxin）、ccdAB和gmvAT（GNAT maintenance of virulence antitoxin/toxin，其中GNAT表示general control non⁃repressible 5 ⁃related N⁃acetyltransferases）三种Ⅱ型TA系统，直接参与不同条件下毒力质粒的维持。mvpAT有利于该质粒在37 ºC条件下的稳定，而gmvAT有利于该质粒在21 ºC条件下的稳定^［12］。鼠伤寒沙门氏菌（Salmonella typhimurium）毒力质粒pSLT具有两种Ⅱ型TA系统vapBC2_ST（Virulence associated protein BC2_ST）和ccdAB_ST，这两种系统都可帮助维持该毒力质粒的稳定性。此外，vapBC2_ST还有助于鼠伤寒沙门氏菌在受感染宿主细胞内的存活^［13］。TA系统的数量与细菌的致病力之间可能存在直接联系。人们发现致病性的结核分枝杆菌有大约90个假定的TA系统，而非致病性耻垢分枝杆菌（Mycobacterium smegmatis）只有两个假定的TA系统^［14］。

2.2 生物膜形成

生物膜是附着在生物或非生物表面或彼此之间的复杂微生物群落，包裹在微生物产生的基质中。生物膜基质由蛋白质（如纤维蛋白）、多糖（如海藻酸盐）以及胞外DNA组成。研究表明TA系统与生物膜的形成具有密切关系，如TA系统mazEF（addiction module）已被报道可诱导大肠杆菌生物膜的形成。毒素MazF介导细胞程序性死亡，通过从死亡细胞中获取营养物质，从而允许生物膜群落中的一小部分亚群存活。Kolodkin⁃Gal等发现从大肠杆菌染色体上删除TA系统（如mazEF）会减少该菌生物膜的形成^［15］。Ⅱ型TA系统hipAB（high persistence AB）和ccdAB也被发现有助于益生菌大肠杆菌Nissle 1917生物膜的形成^［16］，ccdAB和hipAB的转录沉默显著减少了菌株生物膜的形成（P<0.001）。对益生菌而言生物膜的形成十分重要，因为生物膜可以促进益生菌在胃肠道粘膜层上的定植。研究发现，生物膜的形成也能增强乳酸杆菌对温度、胃pH值和机械力的抵抗能力^［17］。野生型金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）对抗生素的耐受性高，能使急性感染转变为抗生素无法根除但危害较低的慢性感染。而mazF敲除株较野生株生物膜形成增加，抗生素耐受性下降，感染小鼠后使小鼠发生败血症，死亡率较野生型感染高。证实mazEF与金黄色葡萄球菌生物膜形成和抗药性密切相关，能促进慢性感染^［18］。

2.3 抗噬菌体感染

大多数Ⅱ型TA系统的毒素都是核糖核酸内切酶，可在特定位点切割mRNA。细菌利用这种mRNA切割活性来抵抗入侵的噬菌体，以保护它们免受噬菌体的攻击^［19］。例如大肠杆菌K⁃12染色体上的TA系统rnlA/rnlB（RNase LS/an antitoxin against rnlA）和肠出血性大肠杆菌O157：H7质粒pO157上与rnlA/rnlB相似的lsoAB系统可以抵抗T4噬菌体的侵染。当大肠杆菌被T4噬菌体感染后毒素rnlA和lsoA的表达会上调，不稳定的抗毒素RnlB和LsoB被蛋白酶降解，感染后期游离毒素RnlA或LsoA会降解大部分T4噬菌体的mRNA，抑制T4噬菌体的增殖^［20］。同样大肠杆菌的mazEF系统也可以保护细胞免受噬菌体攻击，抑制P1噬菌体感染。研究表明，缺失mazEF不仅会显著增加P1噬菌体的侵染量^［21］，还有利于T4噬菌体的增殖^［19］。

2.4 质粒或其他遗传元件的维持

TA系统可以维持质粒、基因组岛、转座子、ICE等遗传元件的稳定性。质粒上的TA系统可以通过分离后杀伤的机制维持该质粒的稳定性，即当细胞分裂后，TA复合物传递给子细胞，如果子细胞没有继承到质粒的拷贝，它就不能产生更多的毒素或抗毒素分子^［22］。抗毒素易被蛋白酶降解，毒素就会游离出来从而杀死细胞，如大肠杆菌mini⁃F质粒上的ccdAB系统可以通过这种机制杀死没有继承到质粒的子细胞进而维持该质粒的稳定性。猪链球菌（Streptococcus suis）的SsPI⁃1致病岛的Ⅱ型TA系统sezAT（SsPI⁃1⁃borne Epsilon/Zeta antitoxin/toxin）可以维持该致病岛的稳定性^［23］。霍乱弧菌（Vibrio cholerae）ICE的SXT（sulfamethoxazole⁃trimethoprim）上的mosAT（maintenance of SXT antitoxin/toxin）系统可以负责该ICE的稳定维持^［24］。SXT是一个约100 kb的ICE，赋予了该菌对多种抗生素的耐药性。染色体整合SXT时，mosAT的转录水平较低，但当SXT在染色体外时，mosAT的转录量明显增加。此外，一些噬菌体也具有TA系统，可用来稳定和保护自我^［25］。

2.5 压力应激

TA系统在营养应激、氧化应激、高温应激等方面都具有重要的功能。染色体上的TA系统的早期研究表明，大肠杆菌K⁃12中毒素RelE和MazF毒性的发挥是由氨基酸饥饿触发的，细菌通过抑制生存蛋白翻译的方式来抵抗营养减少，当营养得到补充后细菌可恢复到正常生理状态。在营养不良、抗生素暴露、氧化、高温等极端环境可以激活mazEF系统并通过（p）ppGpp依赖的方式介导程序性细胞死亡^［26］。游离毒素MazF的释放会使生存蛋白的表达被关闭，而编码细胞死亡蛋白的mRNA不具有被MazF切割所识别的密码子，所以可以正常翻译。这种选择性地抑制翻译会使绝大多数细胞死亡，从而可以为幸存的细胞提供营养，这是一种利它行为。

3 Ⅱ型TA系统的调控

Ⅱ型TA系统是存在数量最多、调控机制研究最清楚的一类TA系统。

3.1 通过外部转录因子调节

Ⅱ型TA系统的抗毒素普遍含有一个DNA结合域和一个毒素中和域。抗毒素⁃毒素复合物结合到操纵子上参与操纵子转录的自动调节。然而在一些Ⅱ型TA系统中抗毒素没有DNA结合域（图2A），并且没有明显转录调控机制，可能存在TA操纵子外其他因素影响毒素和抗毒素的表达，这类TA系统包括古菌詹氏甲烷球菌（Methanococcus jannaschii）的MjrelBE和掘越氏热球菌（Pyrococcus horikoshii）的PhrelBE。在一些类似（即抗毒素没有DNA结合域）的TA系统中，外部调节因子被招募（图2B），例如金黄色葡萄球菌的SamazEF系统，招募外部调节因子SigB（sigma factor B）进行负调控和SarA（staphylococcal accessory regulator A）进行正调控^［27］。有些TA模块还是三组分系统，除毒素和抗毒素外，操纵子还包含一个编码转录调控因子的基因（图2C），例如化脓链球菌（Streptococcus pyogenes）质粒编码的ω/ε/ζ模块和铁氧化硫杆菌（Thiobacillus ferrooxidans）质粒pTF⁃FC2编码的pasA/pasB/pasC（plasmid addiction systemA/B/C）模块。

3.2 抗毒素是唯一的阻遏蛋白

在少数情况下，Ⅱ型TA系统的抗毒素是影响操纵子转录的唯一因素（图2D）。在大肠杆菌higBA系统中^［28］，抗毒素HigA和HigB⁃HigA复合物都能结合higBA系统的操纵子且具有相似的结合力，表明抗毒素HigA结合操纵子不受毒素HigB的影响。大肠杆菌中与SOS反应有关的dinJ/yafQ^［29］（an antitoxin against yafQ/RNase）系统的调控机制更为复杂，该系统有两个启动子，抗毒素DinJ可以结合第一个启动子抑制其转录，而毒素YafQ不影响这种结合。与大肠杆菌higBA不同的是，dinJ/yafQ系统第二个启动子含有LexA box，LexA控制第二个启动子的转录，LexA是一种转录抑制因子，参与SOS反应。当细菌面临压力时，SOS和TA介导的应激反应及其之间的联系可能代表了一个更加全面的调节网络。

3.3 毒素作为辅阻遏物

通常情况下，抗毒素单独结合操纵子的亲和力较低，毒素作为辅阻遏物可以增强抗毒素与操纵子的结合亲和力形成更稳定的复合物（图2E）。在大肠杆菌vapBC系统中，毒素VapB的加入使抗毒素VapC与操纵子的结合更加紧密。

3.4 毒素降低抗毒素的DNA结合活性

毒素可以影响抗毒素与TA系统启动子DNA结合能力^［30］。在大肠杆菌的mqsRA（motility quorum⁃sensing regulator/antitoxin）系统中，抗毒素MqsA包含两个折叠结构域：一个与启动子DNA结合的HTH⁃XRE结构域和一个用于中和毒素MqsR的Zn²⁺稳定结构域。因为结合位点存在部分重叠，所以MqsA与启动子结合和与MqsR结合是互斥的，当MqsR多于MqsA时，会导致操纵子解除抑制^［31］（图2F）。

3.5 条件协同

在某些情况下，TA系统的抑制取决于毒素和抗毒素之间的摩尔比。当毒素和抗毒素的摩尔比在合适的比例时，例如在phd/doc（prevent host death/death on curing）系统中毒素与抗毒素的比例约为1∶1，抗毒素与毒素复合物与DNA结合最紧密。毒素过量时，将会诱导饱和复合物形成，TA系统解除抑制。这种机制被称为“条件协同”（图2G）。同样在ccdAB系统中，单独的抗毒素与操纵子之间的结合亲和力较低，不能有效地抑制TA系统的转录，毒素的加入使抗毒素与操纵子的结合增强，抑制作用增强。当毒素再增加时，会导致TA复合物结构改变并引入空间位阻从而激活TA系统转录。在relBE系统中，两个RelB二聚体协同结合到操纵子上相邻的位点，两个RelB二聚体侧面可分别结合一个RelE单体形成复合物进一步稳定RelB与操纵子间的结合。RelE过量时会破坏相邻RelB二聚体之间的接触，并在空间上阻碍RelB与DNA的结合进而激活转录^［32］。

3.6 基因顺序相反的TA系统的双启动子机制

通常情况下，抗毒素基因位于毒素基因的上游，但在某些TA系统中抗毒素基因位于毒素基因的下游，这种基因顺序相反的TA系统包括大肠杆菌的hicAB（Haemophilus influenzae conserved open reading frame A/B）系统，hicAB系统由两个启动子开启转录^［33］，上游启动子允许毒素和抗毒素基因的表达，含有一个依赖于Sxy的环腺苷受体蛋白结合位点（cyclic AMP receptor protein，CRP⁃S），并被Sxy激活。下游启动子只允许抗毒素hicB基因表达。下游启动子被HicB抑制，HicA过量时这种抑制可被解除。当毒素与抗毒素的比例过高时，这种机制允许产生多余的抗毒素（图2H）。Findlay Black H发现流感嗜血杆菌（Haemophilus influenzae）中的toxTA（toxin/antitoxin）具有相似的调控机制，即上游启动子控制毒素和抗毒素基因的表达，下游启动子只允许抗毒素基因表达，并被抗毒素控制。这些研究表明这种双启动子的调控机制可能在基因顺序相反的TA系统中普遍存在^［34］。

4 应 用

由于毒素的毒性与抗毒素独特的解毒机制，TA系统在抗菌药物开发、抗病毒药物开发、抗癌治疗等医学领域以及表达载体的稳定、正向筛选载体的构建、发酵质量控制等生物技术领域上都有广阔的应用前景与巨大的应用潜力。

4.1 医学应用

毒素可以抑制细胞生长甚至使细胞死亡，因此可以开发为新型抗菌药物，目前TA系统作为抗菌药物开发主要基于以下几种策略：①利用小分子防止TA复合物的形成或破坏TA复合物，游离毒素发挥功能杀死细胞。例如一种新型小肽V30⁃SP⁃8可以干扰结核分枝杆菌VapB30⁃VapC30 TA复合物的形成，发挥抗菌活性^［35］。②诱导毒素从TA复合物中释放，例如利用抗生素acyldesipeptide（ADEP4）激活ClpP蛋白酶降解抗毒素，毒素释放并杀死细菌^［36］。③抑制抗毒素的转录和翻译也可诱导细胞死亡。例如设计序列特异性反义肽核苷酸靶向大肠杆菌中的抗毒素mazE或hipB的mRNA，毒素发挥毒性使细胞死亡^［37］。④将毒素转化为活性药物。例如金黄色葡萄球菌的PepA1毒素具有很强的抗菌作用，但由于其明显的溶血性限制了其应用，故可将其优化成一种可在人血清中稳定存在的非溶血性环状假肽^［38］。⑤用工程噬菌体去感染某些细菌，这些噬菌体上携带的毒素基因可以插入宿主基因组中，毒素基因表达从而达到杀死宿主菌的目的，也有人提出注射包装有毒素的重组噬菌体也可杀死病原体^［39］。

一些TA系统可用于开发抗病毒药物。例如，大肠杆菌的毒素MazF是一种靶向ACA序列的核糖核酸内切酶，将mazF基因置于来自人类免疫缺陷病毒（HIV）的TAR启动子下游，当细胞被HIV感染时，HIV基因组编码的一种调节蛋白Tat可与TAR启动子结合启动下游基因的转录，被感染细胞便会表达MazF毒素，降解HIV病毒的mRNA，抑制病毒增殖，从而抵抗病毒感染^［40］。

某些TA系统可以应用于抗癌治疗。有学者构建了含有大肠杆菌mazEF系统的重组腺病毒载体（图3）^［41］，在该载体中，毒素mazF由源自猴病毒40（simian virus 40， SV40）的启动子控制，该启动子上游是具有4个重复基序的多瘤病毒（polyoma virus， Py）增强子Py4，而抗毒素mazE由源自人巨细胞病毒（cytomegalovirus， CMV）的启动子控制，该启动子上游是四环素抑制因子（tetracycline repressor， TetR），下游是Tet操纵子（tetracycline operator， TetO）。在结直肠癌细胞中，Ras通路（Ras可以活化与细胞生长增殖有关的蛋白，控制细胞生长）高度活跃，Ras通路中的响应蛋白EPS和AP1可以结合到Py4增强子并激活Py4增强子，通过SV40启动子刺激mazF的转录。同时，Tet抑制因子高表达并与Tet操纵子结合，从而抑制了癌细胞中mazE的表达。因此，MazF可以杀死癌细胞。而在正常细胞中，Py4没有被激活，mazF的表达受到抑制，因为CMV启动子活性略强于SV40启动子的活性，所以细胞会产生更多的抗毒素而不是毒素，抗毒素可以完全中和毒素的毒性从而保护细胞。

4.2 生物技术应用

TA系统还可以用于筛选并维持表达质粒的稳定性，由于某些抗生素成本高还有污染环境的风险，因此研究人员考虑用TA系统来代替抗生素筛选表达质粒。如毒素基因ccdB被引入到细菌染色体中，抗毒素基因ccdA被引入到质粒中，两者同时存在，细胞才可正常生长，目标蛋白才可正常表达^［42］。

TA系统可用于构建正向筛选的新型载体。StabyCloning™系统就是通过TA系统进行正向选择的例子。在细菌染色体中引入毒素基因ccdB，质粒中携带缺失了14 bp的抗毒素基因ccdA。将目标DNA连接到ccdA的14 bp的5’端，当目标DNA片段成功克隆到质粒中后，抗毒素基因就会恢复，其产物可中和毒素，菌落形成^［43］。

TA系统可用于发酵质量控制领域，用葡萄糖抑制启动子调控酵母细胞的relE毒素基因表达，当细胞因为某些意外逃离发酵罐环境时，没有葡萄糖的供给，relE毒素基因就会表达，发挥核糖核酸内切酶的功能去切割细胞内的mRNA使细胞死亡^［44］，从而避免污染环境。

5 问题与展望

本文主要对TA系统的研究进展包括分类、调控方式、生物学功能以及应用进行了综述，但目前对于TA系统的研究仍存在许多问题有待解决：

①由于TA系统在毒素活性、中和毒性方式、调控和遗传领域等方面差异很大，TA系统的性质还可能会因实验条件（在宿主体内与体外）及宿主种类的不同而有所不同，此外TA系统（至少是Ⅱ型）在细菌基因组中广泛存在，即使在亲缘关系较近的物种中通常也不保守，这些都使得对TA系统的研究更加困难。

②TA系统被激活的条件还未得到明确阐明。由于抗毒素容易降解，毒素一般比较稳定，所以一般认为任何损害抗毒素合成的情况都会有利于毒素过量并激活系统。然而最近在一些大肠杆菌染色体Ⅱ型TA系统中研究发现，即使在抗毒素表达受到抑制的情况下，毒素结合的抗毒素似乎也不容易降解^［45］。

③通过激活毒素的策略可用于开发抗菌药物，然而某些毒素的激活可能会造成持留细胞的产生，这可能会导致持续的细菌感染。

此外还可从以下方面进一步对TA系统进行探究：

① 深入研究TA系统的生物学功能。例如，大肠杆菌mazEF系统在应激反应和生物膜形成中发挥重要作用，但TA系统在其中的作用机理有待阐明。来源于不同宿主的TA系统的生理功能也不尽相同，对不同来源TA系统发挥作用的共同之处及差异性机制研究是今后的一个重要方向。

②继续深入研究TA系统的调控机理和作用机制，以期实现可以人为地对TA系统进行激活和改造，帮助我们开发更多抗菌或抗病毒药物以及癌症治疗的新策略，更好地实现微生物资源的挖掘与利用^［46］。

③随着基因组和宏基因组数据的指数级增长，重新评估TA系统的多样性和分布也是今后研究的一项重要内容。

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基金资助

国家自然科学基金项目(31970028)