当细菌遇到宿主细胞或者进入宿主细胞后会发生什么？细菌和宿主细胞会如何反应？细菌在新环境中能生存下来吗？宿主细胞会对细菌产生耐受还是攻击呢？要回答这些问题，有必要了解两者在相互作用过程中细胞的基因转录情况发生了怎样的变化。这些年来，科学家们已经尝试过从活体基因表达技术到转录组测序的所有方法。然而，这些分析很大程度上都只关注mRNA（messenger RNA，mRNA），而且只描绘细菌或宿主细胞的转录组，并不是两者兼顾。2016年1月，《自然》杂志报道，德国维尔茨堡大学的Alexander J.Westermann等人利用双重RNA测序技术同时检测了感染过程中细菌和宿主细胞的转录谱。

首先，Westermann等人在已经明确的鼠伤寒沙门氏菌感染人HeLa细胞时的基因调节中检验了双重RNA测序技术的敏感性。鼠伤寒沙门氏菌是食物中毒的常见病原菌。研究表明，在鼠伤寒沙门氏菌被宿主细胞内化后，与细菌侵袭力有关的基因沙门氏菌致病岛1（Salmonella pathogenicity island 1，SPI-1）的转录降低，而促进沙门氏菌在细胞内存活的SPI-2基因的转录增加，这与2008年Hautefort等人的报道一致。

随后，Westermann等人研究了mRNAs和调节RNAs，这些RNA的表达在细菌感染的24小时内会发生改变。在细菌中，那些能够结合到靶mRNAs从而调节mRNA的稳定性和翻译的小调节RNAs（small regulatory RNAs，sRNAs）能够对各种压力作出反应，包括对宿主细胞的反应。因此，研究者重点关注了含有80个核苷酸的sRNA，并称其为PinT。PinT的表达高度受细菌感染诱导，并且会被细菌的PhoP/Q系统激活，该系统对沙门氏菌在细胞内的生存非常关键。

RNA双重测序的一个重要发现是，数十种细菌转录子以及成百上千种宿主细胞转录子都受PinT的影响。对于细菌来说，PinT的过量产生导致那些编码SopE和SopE2的mRNA水平降低。SopE和SopE2是两种SPI-1效应蛋白，介导了沙门氏菌对宿主细胞的侵染。如果细菌缺乏PinT基因，那么这些mRNA的表达就会增加。对PinT、SopE和SopE2进行突变后发现，PinT的抑制效果是通过直接与这些基因的mRNAs进行碱基配对产生的。此外，PinT在细菌感染后期也对SPI-2基因有抑制作用。而且，控制这些基因是通过PinT与编码环磷酸腺苷受体蛋白（cyclic AMP receptor protein，CRP）的mRNA进行碱基配对来间接实现的（CRP是SPI-2基因的转录激活子）。这些结果表明，在细菌的内化过程中，PinT1控制着SPI-1效应子和SPI-2致病基因的动态表达，促进细菌从侵染状态转变为胞内复制状态。

接下来，Weastermann等人对比了野生型沙门氏菌和PinT缺陷型沙门氏菌分别感染宿主HeLa细胞后的转录组。结果发现，在PinT缺陷型沙门氏菌侵染的细胞中，很多转录子都发生了变化，包括长链非编码RNA（long non-coding RNAs，lncRNAs）的改变、线粒体基因的超活化、先天免疫系统相关蛋白的mRNAs表达增加以及SOCS3（一种调节JAK-STAT炎症信号通路的蛋白质）的加速活化。JAK-STAT信号通路的适当活化对于沙门氏菌侵染成功非常重要，因为炎症太轻能削弱沙门氏菌对抗肠道菌群的能力，而炎症太重则会导致沙门氏菌被宿主消灭。

在细菌-宿主相互作用的过程中，同时测定细菌和宿主转录组的双重RNA测序技术让我们第一次有机会更好地理解RNA表达的动态变化。这项技术对分析诸如PinT这样的基因非常有用，因为删除PinT后对细菌毒力基本上没有任何影响，却能让mRNAs发生很大变化。然而，Weastermann等人的研究也体现出了研究细菌与宿主相互作用的难度。例如，虽然PinT对JAK-STAT信号通路表达的影响很特别，但要找出究竟是PinT控制的哪个细菌基因在起作用并不容易。此外，即使在单菌种培养的条件下，细菌个体间的基因表达也有很大不同，仅靠整批细胞样本测序是没法知道这些差异的。

最后，虽然双重RNA测序技术不需要把细菌从宿主细胞里分离出来研究，但在感染期要想完整地了解转录组变化必须在短时间内对不同时点进行系列分析。Westermann等人对野生型和PinT缺陷型沙门氏菌侵染的Hela细胞进行了时间序列分析，但这种方法并不适用于大样本量的细菌研究。随着单细胞测序等深度测序技术的进步，这些技术上的障碍毫无疑问会少一些。到那时候，把Westermann等人的双重RNA测序技术广泛用于细菌-宿主相互作用研究，将会展示细菌侵染宿主细胞在转录水平的作用与反作用，这一过程美妙无比，值得期待。

（作者：贺利军、邱梅)

参考文献：Nature 2016;529:472-473