占山爲王：噬菌體編碼蛋白防禦宿主細菌被其他噬菌體感染

噬菌體是一種(zhǒng)感染細菌的病毒，雖然噬菌體對(duì)人體（及其他真核細胞生物）無害，但它對(duì)細菌而言可能(néng)是緻命的，因爲很多噬菌體感染後(hòu)劫持細菌進(jìn)行繁殖，最終裂解并殺死宿主細菌。噬菌體療法——即利用噬菌體特異性殺菌——已成(chéng)爲對(duì)抗對(duì)緻病性耐藥細菌的重要手段。 
噬菌體個性化治療蓬勃興起(qǐ)的同時(shí)，同樣面(miàn)臨許多挑戰，原噬菌體是其中之一。自然界中噬菌體與細菌并非全是你死我活的關系，相互利用是它們的共存策略之一。與裂解性噬菌體不同，原噬菌體侵入細菌細胞後(hòu)并不裂解宿主，而是將(jiāng)其基因組整合到宿主菌的基因組上，這(zhè)些噬菌體的基因組還(hái)保留編碼蛋白的功能(néng)。越來越多的研究表明，有些原噬菌體編碼蛋白被其宿主細菌用于對(duì)抗自己的宿主（如一些噬菌體蛋白有助于細菌感染人類）。另一些對(duì)分枝杆菌和銅綠假單胞菌的研究表明，原噬菌體編碼蛋白則可以抑制其宿主菌被其他噬菌體感染。 
據美國(guó)利哈伊大學(xué)生物科學(xué)系Vassie C. Ware教授稱，許多病原細菌中都(dōu)含有原噬菌體，有些原噬菌體可能(néng)參與到細菌的防禦系統，使噬菌體治療更具挑戰性。噬菌體治療所用的裂解性噬菌體爲了能(néng)殺滅這(zhè)類病原細菌，還(hái)需要克服靶細菌所含原噬菌體的防禦系統。 
Vassie C. Ware教授團隊與前同事(shì)（現桑迪亞國(guó)家實驗室）Javier Buceta 教授團隊最近合作開(kāi)展了一項研究，該研究以恥垢分枝杆菌标準株mc²155及其噬菌體Butters爲模型。前者因緻病力弱、生長(cháng)相對(duì)快速，是研究分枝杆菌（包括引起(qǐ)結核病的結核分枝杆菌及膿腫分枝杆菌等其他緻病性非結核分枝杆菌）的模式菌株。Butters噬菌體是由SEA-PHAGES夏令營學(xué)員Lena Ma于2012年在利哈伊的一處土壤樣本中發(fā)現。 
SEA-PHAGES (Science Education Alliance-Phage Hunters Advancing Genomics and Evolutionary Science)：由美國(guó)匹茲堡大學(xué)Graham Hatfull教授團隊開(kāi)展的面(miàn)向(xiàng)高中生的噬菌體分離和基因分析夏令營。 
該合作團隊發(fā)現了一個由 Butters 原噬菌體基因組成(chéng)的雙組分系統，這(zhè)些基因編碼的蛋白質相互“協作”以阻止某些噬菌體的侵入和感染。研究者發(fā)現，雖然 Butters 原噬菌體不能(néng)保護細菌細胞免受所有噬菌體攻擊，但Butters 原噬菌體防禦系統中存在針對(duì)不同噬菌體類型的不同防禦系統。這(zhè)一成(chéng)果于2020年10月發(fā)表在美國(guó)微生物學(xué)會(huì)期刊 mSystems 上。
“我們團隊與其他合作者的先前研究表明，原噬菌體表達的基因可以保護其細菌宿主免受某些特定噬菌體群體的感染。而原噬菌體Butters是不是也有類似機制及如何作用還(hái)尚未有研究，” Ware教授說(shuō)。“通過(guò)我們的研究，我們希望确定參與防禦幾種(zhǒng)噬菌體感染的基因，但沒(méi)想到發(fā)現兩(liǎng)種(zhǒng)蛋白質之間的相互作用會(huì)影響其中一種(zhǒng)蛋白質在防禦中的功能(néng)。” 
Butters原噬菌體隸屬N簇分支杆菌噬菌體，已有研究表明一些N簇原噬菌體通過(guò)基因組中心可變區基因介導宿主對(duì)其他異型噬菌體的防禦。Graham Hatfull教授團隊2019年發(fā)表于mBio雜志的論文發(fā)現I簇/ I2亞簇分枝杆菌前噬菌體Sbash可變區30和31号基因編碼蛋白（gp30和gp31）參與介導細菌防禦）。通過(guò)生物信息學(xué)分析，Ware教授團隊發(fā)現原噬菌體Butters的gp30和gp31基因也位于可變區域，它們在Butters噬菌體的溶源性周期表達，使它們成(chéng)爲這(zhè)項研究的候選基因。 
通過(guò)噬菌體成(chéng)斑實驗，該團隊發(fā)現Butters噬菌體的gp30和gp31基因在防禦異型噬菌體感染中發(fā)揮了關鍵作用。研究者通過(guò)免疫熒光顯微鏡和免疫沉澱實驗，證明這(zhè)2個基因編碼蛋白可相互作用。它們組成(chéng)的雙組分系統可幫助宿主細菌抵禦PurpleHaze（A簇/ A3亞簇）和Alma（A簇/ A9亞簇）噬菌體感染，但不足以抵禦Island3（I簇/ I1亞簇）噬菌體感染（圖1）。 

圖1. 原噬菌體Butters編碼蛋白防禦其他噬菌體攻擊的模式假設圖 
分枝杆菌噬菌體Butters編碼的蛋白gp30和gp31在宿主細菌的細胞膜上結合。當其他噬菌體感染該細菌時(shí)，會(huì)觸發(fā)gp30蛋白釋放到細胞質中，變成(chéng)活化狀态，促使細菌對(duì)抗噬菌體的感染。除了gp30和gp31，Butters噬菌體的基因組可變區還(hái)編碼另外3種(zhǒng)膜蛋白（gp33、gp35、gp36）和2種(zhǒng)細胞質蛋白（gp32、gp34），它們是否介導噬菌體參與的宿主防禦尚未可知。 
“總的來說(shuō)，這(zhè)些研究數據使我們能(néng)夠構建一個預測模型來描述Butters原噬菌體雙組分系統如何在防禦特定噬菌體攻擊方面(miàn)發(fā)揮作用”，Ware教授說(shuō)，“原噬菌體存在的多樣性防禦機制，使得建立用于噬菌體治療的廣譜噬菌體雞尾酒組更具挑戰性。” 
除了爲噬菌體治療提供借鑒外，該研究對(duì)于構建可用于食品工業等生物技術領域的抗噬菌體工程細菌也具有借鑒意義。（文章來源：上海噬菌體與耐藥研究所）