前噬菌體研究進(jìn)展

陳學(xué)梅，魏云林，季秀玲

綜 述

前噬菌體研究進(jìn)展

陳學(xué)梅，魏云林，季秀玲

昆明理工大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，昆明 650500

噬菌體是地球上最多的生物實(shí)體，一直被認(rèn)為是細(xì)菌的天敵。然而隨著基因組學(xué)和分子生物學(xué)等技術(shù)的快速發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)噬菌體與宿主之間存在微妙而復(fù)雜的關(guān)系。前噬菌體是指溶原性細(xì)菌內(nèi)存在的整套噬菌體DNA基因組，廣泛分布在細(xì)菌基因組中，對(duì)調(diào)節(jié)細(xì)菌宿主生理具有重要作用，如參與調(diào)節(jié)宿主的毒力、影響生物膜形成、賦予宿主免疫力等。有趣的是，前噬菌體可以通過(guò)“監(jiān)聽(tīng)”細(xì)菌的群體感應(yīng)來(lái)調(diào)節(jié)自身的溶原–裂解狀態(tài)。近年來(lái)，一些細(xì)菌中由前噬菌體編碼的抗CRISPR蛋白的發(fā)現(xiàn)引起了人們對(duì)前噬菌體研究的關(guān)注。因此，對(duì)前噬菌體的研究可以為改造宿主和前噬菌體提供基礎(chǔ)理論參考。本文對(duì)前噬菌體的預(yù)測(cè)、分布、分類(lèi)及功能進(jìn)行了綜述，以期為進(jìn)一步研究噬菌體與宿主間的關(guān)系提供基礎(chǔ)。

前噬菌體；毒力；抗CRISPR蛋白；溶原轉(zhuǎn)換；群體感應(yīng)

噬菌體廣泛存在于自然界中，是能夠感染細(xì)菌、真菌、放線菌等微生物的病毒。噬菌體是地球上最多的生物實(shí)體，在許多環(huán)境中，它們的數(shù)量超過(guò)宿主約10倍[1]。噬菌體往往遵循兩個(gè)生命周期之一：裂解或溶原(圖1)[2]。烈性噬菌體采用裂解生命周期，它們感染細(xì)菌宿主，利用宿主細(xì)胞的資源制造更多的噬菌體顆粒，最終裂解細(xì)胞，將后代病毒粒子釋放到環(huán)境中。溶原噬菌體將它們的基因組整合到宿主染色體中的特定附著位置，并與宿主保持穩(wěn)定的聯(lián)系，其中整合在細(xì)菌基因組中的噬菌體基因組稱(chēng)為前噬菌體；而帶有前噬菌體基因組的細(xì)菌稱(chēng)為溶原性細(xì)菌。某些前噬菌體能夠自發(fā)地、或被某些理化和生物因素誘導(dǎo)，從而脫離宿主菌基因組進(jìn)入溶菌周期，形成成熟噬菌體，最終導(dǎo)致細(xì)菌裂解；前噬菌體既可以整合到宿主的染色體上，也可以以游離質(zhì)粒的形式長(zhǎng)期存在于宿主細(xì)胞中[3](圖1)。

由于基因水平轉(zhuǎn)移等作用，前噬菌體廣泛存在于細(xì)菌中。幾乎所有測(cè)序的致病和非致病細(xì)菌基因組中都發(fā)現(xiàn)了噬菌體樣元件，而在真菌基因組鮮有報(bào)道，僅有一些RNA病毒。基因組研究揭示噬菌體基因組約占某些細(xì)菌基因組的20%[4]。越來(lái)越多的研究表明：在宿主進(jìn)化過(guò)程中選擇了某些前噬菌體基因，而它們編碼的產(chǎn)物在一定條件下對(duì)宿主有利。如大腸桿菌() K-12的隱蔽前噬菌體與幾種宿主表型有關(guān)，包括生物膜形成、壓力敏感性和抗生素抗藥性[5]；大多數(shù)細(xì)菌染色體包含“隱蔽的”前噬菌體，它們丟失了生產(chǎn)噬菌體后代所需的基因，但保留了功能未知的基因，這些基因?qū)φ{(diào)節(jié)細(xì)菌宿主生理具有重要作用。因此對(duì)前噬菌體的研究有助于全面理解噬菌體，同時(shí)也有利于完善基因組注釋數(shù)據(jù)。本文將從前噬菌體的預(yù)測(cè)、分布、前噬菌體元件的分類(lèi)及功能等方面展開(kāi)綜述。

1 噬菌體預(yù)測(cè)工具

隨著計(jì)算機(jī)生物信息學(xué)技術(shù)的廣泛運(yùn)用、新測(cè)序細(xì)菌基因組數(shù)量的不斷增加以及人們對(duì)前噬菌體序列在細(xì)菌DNA中所占比例的認(rèn)識(shí)，研究者開(kāi)發(fā)出了預(yù)測(cè)細(xì)菌基因組中前噬菌體的軟件，見(jiàn)表1。早期開(kāi)發(fā)的PhiSpy軟件通過(guò)監(jiān)測(cè)與測(cè)序基因組沒(méi)有相似性的噬菌體特征來(lái)識(shí)別噬菌體[6]，VirSorter利用已知病毒數(shù)據(jù)庫(kù)中的比對(duì)和相似性搜索預(yù)測(cè)宏基因組數(shù)據(jù)中病毒的重疊群[7]；VirFinder用于從宏基因組學(xué)數(shù)據(jù)中識(shí)別原核病毒序列，其基于k-mer特征的機(jī)器學(xué)習(xí)來(lái)預(yù)測(cè)重疊群是否為噬菌體[8]；MetaPhinder通過(guò)與全基因組噬菌體序列數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行比較，在宏基因組學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)中識(shí)別噬菌體起源的組裝基因組片段(即重疊群)[9]；PHASTER用于快速識(shí)別和注釋細(xì)菌基因組和質(zhì)粒中的噬菌體序列[10]；2018年，Amgarten等[11]開(kāi)發(fā)了一種預(yù)測(cè)宏基因組庫(kù)中雙鏈DNA噬菌體序列的工具M(jìn)ARVEL，并將MARVEL的性能與VirSorter和VirFinder進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)盡管3個(gè)程序都有很好的特異性，但MARVEL靈敏度更高，能夠在宏基因組文庫(kù)中鑒定出比以前更多的噬菌體序列；近年來(lái)開(kāi)發(fā)了Prophage Hunter，它提供一站式web服務(wù)，從細(xì)菌基因組中提取前噬菌體基因組，評(píng)估前噬菌體的活性，識(shí)別系統(tǒng)發(fā)育相關(guān)的噬菌體，并注釋噬菌體蛋白質(zhì)的功能[12]。

圖1 噬菌體的不同生命循環(huán)周期

噬菌體采用不同的生命周期：烈性噬菌體遵循其復(fù)制的裂解周期，并在周期結(jié)束時(shí)導(dǎo)致宿主細(xì)胞的裂解；溫和噬菌將其基因組整合到宿主細(xì)菌染色體中。前噬菌體DNA與細(xì)菌染色體一起復(fù)制，并傳給子細(xì)胞。在某些條件下，包括造成DNA損傷的各種壓力，前噬體會(huì)被切除并進(jìn)入裂解循環(huán)，而一些噬菌體也會(huì)以質(zhì)粒的形式存在。根據(jù)參考文獻(xiàn)[2]修改繪制。

2 前噬菌體的分布

目前正在研究的許多噬菌體是從溶原性細(xì)菌釋放后分離出來(lái)的，因此前噬菌體普遍存在。Stevens等[13]檢測(cè)了61株糞腸球菌，發(fā)現(xiàn)19株含有?Ef11這種溫和噬菌體。噬菌體研究者從38株海洋中共誘導(dǎo)出30株前噬菌體[14]。Schmieger等[15,16]對(duì)173株腸炎沙門(mén)氏菌(傷寒沙門(mén)氏菌血清型)的研究發(fā)現(xiàn)136株釋放了功能性噬菌體；其他腸炎沙門(mén)氏菌血清型鼠傷寒中還發(fā)現(xiàn)Fels-1、Fels-2、GIFSY-1、GIFSY-2、GIFSY-3、E34和ST64B等前噬菌體；Schicklmaier等[16]發(fā)現(xiàn)107株大腸桿菌中有83株至少釋放一種功能性噬菌體類(lèi)型；Osawa等[17]發(fā)現(xiàn)從27個(gè)大腸桿菌菌株中釋放出51個(gè)不同功能的噬菌體；通常用于實(shí)驗(yàn)室研究的腸球菌LT2分離物攜帶四個(gè)完整的、功能完整的前噬菌體[18~20]；研究表明絲裂霉素C可以誘導(dǎo)170株耶爾森氏菌中的7株合成功能性噬菌體[21]和68株革蘭氏陽(yáng)性乳鏈球菌中的38株噬菌體或噬菌體樣顆粒[22]；最近研究者檢測(cè)了15株柑橘黃龍病菌的基因組，發(fā)現(xiàn)每株菌的基因組中包含至少一個(gè)前噬菌體序列[23]。當(dāng)然，這些研究都只能找到最少數(shù)量的功能前噬菌體，因?yàn)樗鼈円蕾?lài)于成功誘導(dǎo)和研究清楚的指示菌株。前期研究中，我們通過(guò)生物信息學(xué)預(yù)測(cè)發(fā)現(xiàn)低溫?zé)晒饧賳伟鶺-6中含有前噬菌體序列，并與侵染W(wǎng)-6的長(zhǎng)尾噬菌體VW-6S具有同源性。這些證據(jù)表明前噬菌體分布廣泛，并且一株細(xì)菌可能整合了多種前噬菌體序列。

一些噬菌體基因組序列本身具有獨(dú)特的特性。例如，某些前噬菌體與它們宿主的基因組具有不同的G+C含量、寡核苷酸頻率或密碼子[24~26]，但這種類(lèi)型的分析還沒(méi)有進(jìn)展到可以明確識(shí)別前噬菌體序列的程度。因此，必須通過(guò)與已知噬菌體基因的相似性來(lái)識(shí)別細(xì)菌基因組序列中的前噬菌體。將不同菌株的DNA與噬菌體或前噬菌體DNA探針雜交，表明在同一物種的其他分離株中通常存在相關(guān)的前噬菌體[27,28]。在對(duì)用于相關(guān)細(xì)菌分離物分型序列的一部分搜索中發(fā)現(xiàn)了前噬菌體序列，例如彎曲桿菌屬()[29]、奈瑟氏菌屬()[30]和乳桿菌()[31]。顯然，前噬菌體在種類(lèi)繁多的細(xì)菌中普遍分布。

表1 不同噬菌體預(yù)測(cè)工具及其部分特征

“–”：代表無(wú)。

3 前噬菌體樣元件分類(lèi)

整合于細(xì)菌基因組內(nèi)的具有前噬菌體序列特征的DNA片段，依據(jù)其序列完整性及是否具有前噬菌體功能，可分為前噬菌體樣元件和功能性前噬菌體兩類(lèi)[32]。功能性前噬菌體是指可被誘導(dǎo)的噬菌體，從溶原態(tài)轉(zhuǎn)為裂解態(tài)，從而具有完整噬菌體功能。

除了可以誘導(dǎo)裂解生長(zhǎng)的功能完全的前噬菌體外，還鑒定了其他與前噬菌體相關(guān)的實(shí)體，即有缺陷的前噬菌體(defective prophages)、衛(wèi)星前噬菌體(satellite prophages)、細(xì)菌素(prophage tail-like bac-teriocins)和基因轉(zhuǎn)移劑(gene transfer agent)。Rac是一個(gè)在進(jìn)化過(guò)程中丟失了原始序列近60%組分的λ類(lèi)前噬菌體，也是最早被鑒定的缺陷型前噬菌體。缺陷型前噬菌體的基因序列缺失或基因功能減弱，雖然擁有部分噬菌體功能基因，卻不能進(jìn)入裂菌生長(zhǎng)階段，因此也稱(chēng)隱匿性前噬菌體。K-12的前噬菌體包括Rac[33]、e14[34]、CP4-6、DLP12、cp4- 44、cps-53、cpz-55以及cp4-57等[5]，嗜熱鏈球菌M17PTZA496中的隱匿噬菌體，枯草芽孢桿菌的前噬菌體PBSX[35]等均屬于隱匿性前噬菌體。衛(wèi)星前噬菌體攜帶自主復(fù)制模塊，缺乏形態(tài)發(fā)生和結(jié)構(gòu)病毒粒子編碼基因，但它們?cè)谄渌矫媸枪δ苄允删w；利用另一種“輔助”病毒提供的結(jié)構(gòu)蛋白來(lái)組裝自己的病毒粒子進(jìn)而進(jìn)行繁殖和傳播。大腸桿菌的P4噬菌體缺乏編碼衣殼蛋白的基因，需要其他輔助噬菌體的作用才能裂解細(xì)菌，因此宿主中輔助噬菌體P2基因組存在與否對(duì)P4的存在狀態(tài)起決定性作用[36]。除此之外，霍亂弧菌中的RS1[37]、噬菌體ФAH14a和ФAH14b[38]、噬菌體誘導(dǎo)的染色體島狀元件(phage-inducible chromosomal island-like element)[39]，以及最近發(fā)現(xiàn)的噬菌體誘導(dǎo)的染色體島(phage- inducible chromosomal islands)[40]元件家族都屬于此類(lèi)。噬菌體尾狀細(xì)菌素(prophage tail-like bacteriocins, PTLB)廣泛存在于細(xì)菌中，是一種與各種噬菌體的尾部結(jié)構(gòu)相似且在進(jìn)化上與之相關(guān)的高分子量殺菌蛋白顆粒。PTLB分為收縮性肌病毒科噬菌體尾巴有關(guān)的R型PTLB，和與非收縮性劍葉病毒科噬菌體尾巴有關(guān)的F型PTLB[41]。銅綠假單胞菌R型和F型細(xì)菌素為典型的噬菌體尾樣細(xì)菌素[42]。1972年Lotz等[43]對(duì)羽扇豆根瘤菌的R型PTLB進(jìn)行了研究?；蜣D(zhuǎn)移因子樣前噬菌體是一種尾狀噬菌體顆粒，包裝細(xì)菌基因組的隨機(jī)片段；由于絕大多數(shù)粒子不攜帶編碼GTA的基因，因此這些粒子不能以病毒的形式傳播，而且這些粒子含有一個(gè)DNA片段，但該片段太短而不能包含全部GTA基因[44]；這些類(lèi)似病毒離子的粒子可以將它們的DNA有效載荷傳遞到同一物種的另一種細(xì)菌中。最早發(fā)現(xiàn)的GTA是由莢膜紅桿菌()產(chǎn)生的，它是一種紫色的非硫α蛋白細(xì)菌，已用作生理學(xué)各個(gè)方面的模型生物[45]。

4 前噬菌體的功能

目前在許多已測(cè)序的細(xì)菌基因組中都發(fā)現(xiàn)了前噬菌體和前噬菌體殘留物，這表明這組可移動(dòng)的遺傳元件在細(xì)菌中廣泛存在，是形成遺傳多樣性和菌株變異的主要來(lái)源。前噬菌體通過(guò)與宿主基因組中的其他噬菌體或感染性噬菌體發(fā)生重組促進(jìn)病毒多樣性，但是在這些重組或基因轉(zhuǎn)移之前，前噬菌體在產(chǎn)生新基因過(guò)程中的作用未知[46]。前噬菌體基因可以調(diào)節(jié)宿主菌毒力和生物膜的形成；噬菌體片段還可以賦予宿主免疫力或排除性，保護(hù)攜帶者菌株免受雙重感染。Gentile等[47]研究發(fā)現(xiàn)一種新的病毒防御系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中分枝桿菌噬菌體Sbash前噬菌體與其恥垢分枝桿菌宿主合作，對(duì)無(wú)關(guān)的分枝桿菌噬菌體交叉感染產(chǎn)生高度特異性的防御。

4.1 前噬菌體調(diào)節(jié)細(xì)菌生物膜的形成

細(xì)菌生物膜(bacterial biofilm)是指細(xì)菌為了達(dá)到生存的目的，在黏附于有生命或無(wú)生命物體表面后，被胞外自身產(chǎn)生的多聚物基質(zhì)包裹的有組織的細(xì)菌群體。細(xì)菌生物膜與大部分菌感染相關(guān)，有助于病原菌抵抗外部不利的環(huán)境，比如抗生素和抗噬菌體等。生物膜的形成受細(xì)菌密度調(diào)控[48]，前噬菌體的存在也會(huì)影響生物膜的形成。研究表明胞外DNA (extracellular deoxyribonucleic acid, eDNA)的抑制降低了糞腸球菌生物被膜的形成，增加了糞腸球菌對(duì)NaOCl的敏感性[49]。同樣，相比不含前噬菌體的菌株，前噬菌體的存在是生物膜形成增強(qiáng)的原因。例如放線菌中線性質(zhì)粒樣前噬菌體Xhp1促進(jìn)生物膜形成[50]。相比被敲除前噬菌體的菌株，含有?Ef11前噬菌體的溶原糞腸球菌生物膜形成增強(qiáng)約50%[13]。噬菌體在細(xì)菌生物膜的形成過(guò)程中起著重要的作用，在含有絲狀噬菌體的菌株中，生物膜形成較穩(wěn)定[51]。由VP882編碼的芽孢桿菌VqmA蛋白同源物是群體敏感物質(zhì)3,5-二甲基吡嗪2-醇的響應(yīng)者。宿主的VqmA變異體通過(guò)刺激小調(diào)控RNA的轉(zhuǎn)錄，在高細(xì)胞密度下抑制生物膜形成和毒力基因的表達(dá)[52]。

4.2 前噬菌體對(duì)致病菌毒力的影響

前噬菌體編碼許多細(xì)菌性病原體的關(guān)鍵毒力因子。病原體中前噬菌體的消除可以降低毒力，而非致病菌株不攜帶各自的前噬菌體。溶原菌中的前噬菌體可以誘導(dǎo)溶原轉(zhuǎn)化，改變宿主細(xì)菌的毒力，所以溶原性轉(zhuǎn)換在毒力菌株中扮演重要作用。前噬菌體還可以對(duì)已經(jīng)進(jìn)化了的細(xì)菌的特性進(jìn)行“改進(jìn)”，因此是對(duì)其編碼的適應(yīng)性因子進(jìn)化功能的試金石。

一些溶原噬菌體攜帶增強(qiáng)細(xì)菌宿主毒力的基因，這些基因會(huì)導(dǎo)致細(xì)菌宿主致病，例如大腸桿菌O157菌株中的噬菌體編碼志賀毒素，白喉?xiàng)U菌中的噬菌體編碼白喉毒素和肉毒桿菌中的神經(jīng)毒素。噬菌體編碼的毒素、宿主細(xì)胞入侵因子和血清抗性蛋白促進(jìn)細(xì)菌病原體進(jìn)行感染過(guò)程的多個(gè)方面。這些基因一旦整合到細(xì)菌基因組中，就能使無(wú)害的細(xì)菌釋放出可致病的毒素。志賀毒素是研究最多的毒力因子，其基因位于腸出血性大腸桿菌的λ噬菌體基因組上。許多抗生素促進(jìn)志賀毒素轉(zhuǎn)化前噬菌體的誘導(dǎo)，前噬菌體被誘導(dǎo)后刺激這些毒素的產(chǎn)生和釋放[53]。產(chǎn)毒霍亂弧菌的基因組含有一種產(chǎn)霍亂毒素的前噬菌體—絲狀噬菌體(CTXφ)，CTXφ被兩個(gè)衛(wèi)星噬菌體RS1和TLC包圍，而且三者還能以復(fù)制形式存在于宿主菌中。在膿毒癥和心內(nèi)膜炎動(dòng)物模型中，多溶原性糞腸球菌菌株比無(wú)前噬菌體的同基因菌株顯示出更強(qiáng)的毒力[54]。柑橘黃龍病菌攜帶的前噬菌體的基因與其毒力相關(guān)[23]。單增李斯特菌的致病性與其毒力因子的作用具有重要相關(guān)性，同時(shí)，毒力基因的調(diào)控也是單增李斯特菌在腐生菌和致病菌這兩種不同狀態(tài)之間切換的重要機(jī)制，提高了其在不同環(huán)境下的生長(zhǎng)適應(yīng)水平。研究表明銅綠假單胞菌中的絲狀噬菌體pf4突變體毒力低于野生型菌株[50]。同樣，禽致病性大腸桿菌的前噬菌體phiv205-1缺失突變體毒力明顯下降[55]。

大多數(shù)前噬菌體的基因組不僅包含編碼與噬菌體復(fù)制、結(jié)構(gòu)和組裝有關(guān)的功能性基因，而且還包含輔助基因。例如，MG1655噬菌體編碼I型、II型和IV型毒素/抗毒素(TA)系統(tǒng)。TA系統(tǒng)是廣泛分布于原核生物中的遺傳模塊。TA基因通常編碼殺死細(xì)胞或抑制細(xì)胞生長(zhǎng)的毒素和中和毒素毒性的同原抗毒素，可作為穩(wěn)定和自我保存噬菌體的手段[56]。根據(jù)其作用機(jī)理和抗毒素是蛋白質(zhì)或sRNA，將TA系統(tǒng)分為六類(lèi)[57]。各種細(xì)菌菌株中TA系統(tǒng)的豐富性可能表明了重要的進(jìn)化作用。TA系統(tǒng)的功能包括持久性、DNA穩(wěn)定、噬菌體抑制、應(yīng)激反應(yīng)和生物膜形成[58]。研究表明Pf4噬菌體編碼的II型TA能夠控制PAO1中絲狀噬菌體的產(chǎn)生，前噬菌體中的毒素抑制了銅綠假單胞菌中絲狀噬菌體的產(chǎn)生，同時(shí)有助于細(xì)胞抵抗Pf4噬菌體感染[59]。RAC噬菌體中毒素ralR的產(chǎn)物是一種DNA酶，I型RalR/Rala TA增加了細(xì)胞對(duì)磷霉素的耐藥性[60]。自發(fā)前噬菌體誘導(dǎo)機(jī)制有助于肺炎鏈球菌血清型19A ST320菌株的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，祖先菌株通過(guò)前噬菌體的切除和整合來(lái)調(diào)節(jié)ychF的表達(dá)進(jìn)而增加細(xì)菌的粘附[61]。

4.3 溫和噬菌體竊聽(tīng)宿主的群體感應(yīng)(quorum sensing, QS)信號(hào)，控制自身的溶原–裂解開(kāi)關(guān)

宿主細(xì)胞密度影響噬菌體裂解-溶原的轉(zhuǎn)換，表明溫和噬菌體可能利用特定的機(jī)制來(lái)感知宿主細(xì)胞密度。早期細(xì)胞生理學(xué)和最適感染復(fù)數(shù)(multiplicity of infection, MOI)有利于溶原性，這表明可能在共感染噬菌體之間發(fā)生一些細(xì)胞內(nèi)通訊，以做出有利于兩種入侵噬菌體的選擇。但是，共同感染的噬菌體如何在裂解和溶原這兩個(gè)相反的生存途徑上折中仍然是個(gè)難題。Ghosh等[62]首次證明依賴(lài)細(xì)胞密度的前噬菌體誘導(dǎo)與群體感應(yīng)系統(tǒng)有關(guān)。宿主細(xì)胞內(nèi)的噬菌體具有進(jìn)化的機(jī)制以感知其宿主密度，并在溶原-裂解之間做出協(xié)調(diào)決定，以便噬菌體可以根據(jù)宿主細(xì)胞密度估計(jì)后代噬菌體的成功感染率，從而最大限度地繁殖和避免耗盡敏感宿主。

枯草芽孢桿菌噬菌體SPbeta的溫和型噬菌體可以感知近親的種群水平，利用一種基于宿主裂解時(shí)釋放的特定六肽的噬菌體QS——稱(chēng)為“仲裁系統(tǒng)”來(lái)影響裂解–溶原決定[63]。噬菌體可產(chǎn)生不同的特異性肽，通過(guò)感知特異性肽的局部濃度，新感染的噬菌體能夠?qū)σ郧暗牧呀馐录诳臻g和時(shí)間上的鄰近程度做出估計(jì)，從而調(diào)整自身關(guān)于裂解的決定；特異性肽水平高，表明可用的宿主很少，則進(jìn)行溶原。當(dāng)然這些機(jī)制都是有限的，因?yàn)槭删w只能間接地或通過(guò)利用噬菌體衍生的信號(hào)來(lái)感知細(xì)胞外環(huán)境。Silpe和Bassler等[52]展示了霍亂弧菌的溫和噬菌體VP882是如何竊聽(tīng)宿主的QS系統(tǒng)，直接讀出宿主的種群大小作為裂解/溶原決定的輸入。噬菌體的繁殖取決于細(xì)菌宿主細(xì)胞，因此對(duì)于溫和噬菌體來(lái)說(shuō)，響應(yīng)宿主細(xì)胞的密度調(diào)節(jié)其繁殖策略至關(guān)重要，進(jìn)而闡明了宿主的QS控制弧菌噬菌體做出的依賴(lài)宿主細(xì)胞密度的裂解–溶原性決定的機(jī)制。因此在溶原過(guò)程中(而不僅僅是在裂解感染過(guò)程中)會(huì)產(chǎn)生信號(hào)的類(lèi)似仲裁系統(tǒng)，以告知噬菌體局部溶原物的豐度的說(shuō)法引起了科學(xué)家的關(guān)注。

5 前噬菌體的進(jìn)化策略

噬菌體通常被認(rèn)為是細(xì)菌的天敵。然而，對(duì)噬菌體-宿主動(dòng)力學(xué)的進(jìn)化分析表明，捕食者和獵物經(jīng)常以一種避免完全滅絕的方式共同進(jìn)化。因此，在噬菌體與宿主共進(jìn)化過(guò)程中，部分噬菌體迫于進(jìn)化壓力，將自身基因整合到宿主菌中，隨宿主DNA一起復(fù)制而得以生存，人們將這種方式成為噬菌體的溶源轉(zhuǎn)換。溶源轉(zhuǎn)化只是溫和噬菌體影響細(xì)菌適合性5種方式之一：(1)作為基因組重排的錨點(diǎn)；(2)通過(guò)基因破壞；(3)通過(guò)防止裂解感染；(4)通過(guò)原噬菌體誘導(dǎo)競(jìng)爭(zhēng)菌株的裂解；(5)通過(guò)引入新的適合性因子(溶原轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)導(dǎo))。

在這場(chǎng)進(jìn)化戰(zhàn)爭(zhēng)中，細(xì)菌從噬菌體感染的第一步吸附入手，發(fā)展了幾種吸附阻斷機(jī)制，例如，用各種蛋白質(zhì)掩蔽噬菌體受體，產(chǎn)生細(xì)胞外基質(zhì)或競(jìng)爭(zhēng)抑制劑，一些已知的系統(tǒng)(CRISPR系統(tǒng))可以阻止噬菌體DNA進(jìn)入。除此之外，在噬菌體復(fù)制過(guò)程中存在抗病毒防御機(jī)制、限制修飾系統(tǒng)(R-M)和流產(chǎn)感染等。作為對(duì)噬菌體感染的細(xì)菌戰(zhàn)的回應(yīng)，噬菌體反過(guò)來(lái)編碼細(xì)菌免疫系統(tǒng)的抑制劑以增強(qiáng)裂解宿主菌或整合到其基因組中的能力。噬菌體編碼的“抗CRISPR”(anti-CRISPR, ACR)蛋白的第一個(gè)例子來(lái)自銅綠假單胞菌中的I型I-F和I-E系統(tǒng)[64,65]。在銅綠假單胞菌中，I型抗CRISPR是從整合的噬菌體基因組也就是前噬菌體中表達(dá)的，并導(dǎo)致宿主CRISPR- Cas系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)性失活[65]。目前已發(fā)現(xiàn)10個(gè)I-F型抗CRISPR基因和4個(gè)I-E型抗CRISPR基因[64]，它們都編碼功能未知的獨(dú)特的小蛋白(50~150個(gè)氨基酸)。Bondy-Denomy等[65]對(duì)4種I-F抗CRISPR蛋白的生化研究表明，它們直接與CRISPR-Cas復(fù)合物中的不同Cas蛋白相互作用，來(lái)防止靶DNA的識(shí)別或切割。單增李斯特菌前噬菌體編碼幾種獨(dú)特的II-A型CRISPR-Cas9抑制劑蛋白，抗CRISPR蛋白滅活李斯特菌CRISPR-Cas9。研究表明ACR噬菌體需要協(xié)同才能克服CRISPR免疫宿主的部分抗性，如果ACR噬菌體的初始滴度低于臨界閾值會(huì)導(dǎo)致ACR噬菌體滅絕，但當(dāng)它們的滴度超過(guò)這個(gè)閾值時(shí)，它們就會(huì)放大[66]。溶原過(guò)程中噬菌體在宿主內(nèi)保持休眠狀態(tài)，通常將自身整合到宿主染色體中，這使得噬菌體可以作為細(xì)菌基因組的一部分進(jìn)行復(fù)制，并賦予細(xì)胞免疫力，使其免受二次感染。當(dāng)相互作用時(shí)，細(xì)菌和噬菌體可以進(jìn)化，這種關(guān)系被描述為對(duì)抗性共進(jìn)化，但這種模式并不適合所有的模式；研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)宿主菌和噬菌體共同生長(zhǎng)時(shí)，有利于細(xì)菌而不是共同進(jìn)化。

6 結(jié)語(yǔ)與展望

前噬菌體在宿主生物膜、毒力以及噬菌體與宿主的進(jìn)化等方面扮演重要作用。雖然這里以單一作用的形式逐次描述，但這些作用之間往往相互關(guān)聯(lián)，例如前噬菌體增強(qiáng)了病原菌生物膜的形成，從而增強(qiáng)了病原菌的毒性。生物膜的形成給致病菌帶來(lái)了更強(qiáng)的耐藥性，這使得臨床治療和面臨巨大的挑戰(zhàn)。因此對(duì)前噬菌體的全面了解，有利于探尋清除生物膜的途徑，從而為醫(yī)療手段提供新思路。

隨著分子生物學(xué)及生物信息學(xué)等多學(xué)科的發(fā)展，前噬菌體受到越來(lái)越多的關(guān)注，部分研究者已經(jīng)注意到前噬菌體給致病菌帶來(lái)抗逆境作用以及生態(tài)方面的意義，但這方面的研究還相對(duì)較少。另一方面前噬菌體編碼監(jiān)聽(tīng)宿主菌的群體感應(yīng)通信，來(lái)給裂解噬菌體傳達(dá)信號(hào)，對(duì)這種噬菌體之間的交流也才剛剛起步。溫和噬菌體和裂解噬菌體之間在交流什么，怎么交流，是否還存在別的交流方式？這需要進(jìn)一步深入的研究。在各學(xué)科和多種手段的結(jié)合下，相信這些問(wèn)題都會(huì)有答案。

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Research progress of prophages

Xuemei Chen, Yunlin Wei, Xiuling Ji

,,,

As the most abundant biological entities on earth, bacteriophages (phages) were considered as the antagonists of bacteria. With the rapid development of genomics and molecular biology technologies, a subtle and complex relationship between phages and their host bacteria has been uncovered. Prophage refers to an intracellular form of a bacteriophage, which is usually integrated into the hereditary material of the host. Prophage is ubiquitously distributed in bacterial genomes. It reproduces when the host does and can affect important biological properties of their bacterial hosts, such as virulence, biofilm formation and host immunity. Interestingly, prophages were also involved in regulating the lysogeny-lytic state by “monitoring” the quorum sensing of bacteria. Recently, anti-CRISPR proteins encoded by prophages were found, which attracts a lot of attention. In this review, we summarized the prediction, distribution, classification and functions of prophages to lay a foundation for further studying interactions between phages and bacteria.

prophage; virulence; anti-CRISPR protein; lysogenic conversion; quorum sensing

2020-11-27;

2021-01-12

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號(hào)：31860147，31700324)資助[Supported by the National Natural Science Foundation of China (Nos. 31860147, 31700324)]

陳學(xué)梅，在讀碩士研究生，專(zhuān)業(yè)方向：低溫微生物。E-mail: 1179823820@qq.com

季秀玲，博士，教授，研究方向：低溫微生物。E-mail: jixiuling1023@126.com

10.16288/j.yczz.20-355

2021/1/18 10:50:43

URI: https://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1913.R.20210115.1427.002.html

(責(zé)任編委: 張?zhí)煊?