噬菌體如何擾亂細菌的防禦系統？

2021年由多倫多大學(xué)生物化學(xué)系，Karen L.Maxwell發(fā)表在Molecular Cell上的一篇文章“A phage-encoded anti-activator inhibits quorum sensing in Pseudomonas aeruginosa”，揭示了溶原性噬菌體DMS3的基因組編碼了一種(zhǒng)Anti-activator蛋白—Aqs1，能(néng)結合銅綠中LasR蛋白的DNA結合區域，從而抑制銅綠假單胞菌群體感應中的多個噬菌體防禦機制，如Aqs1能(néng)結合PilB基因，抑制了銅綠菌毛的産生。在本文中使用的噬菌體DMS3又是以菌毛作爲受體的。作者發(fā)現LasR在銅綠群體感應的調節通路中處于上遊位置，同時(shí)影響著(zhe)其他幾個針對(duì)噬菌體的防禦系統，但是由于Aqs1的結合，使得下遊的噬菌體防禦系統癱瘓，保證了DMS4對(duì)PA14的感染力。本文更深層次地揭示了細菌和噬菌體在進(jìn)化中互相制約，彼此進(jìn)化的潛力。

01
那Aqs1到底是如何發(fā)現的呢？首先，作者通過(guò)將(jiāng)DMS3中的14個非保守基因分别在銅綠假單胞菌PA14中表達，發(fā)現其中Aqs1的表達會(huì)導緻細菌表型有大的轉變，特别是在細菌的轉動能(néng)力、綠青素的産生、毒力因子的産生或者噬菌體抗性方面(miàn)。通過(guò)對(duì)已有的報道(dào)研究發(fā)現，銅綠噬菌體D3112中Tip的表達對(duì)溶源菌的轉動性能(néng)有影響；而在另一株噬菌體JBD24中也發(fā)現使溶源菌的轉動性受到抑制的情況。通過(guò)序列比對(duì)發(fā)現，這(zhè)三株噬菌體同屬MP22—Like病毒家族，而且這(zhè)部分基因顯示出了序列和位置上的相似性。 

作者進(jìn)一步研究發(fā)現，在噬菌體感染發(fā)生的早期Aqs1就(jiù)已經(jīng)開(kāi)始産生。因爲蛋白質Aqs1在感染細菌早期就(jiù)已經(jīng)産生，所以當細菌密度上升的時(shí)候，Aqs1就(jiù)抑制了細菌之間群體感應引發(fā)的噬菌體防禦系統。
02
作者在aqs1基因上删除177bp的片段，改造爲DMS3Δaqs1，感染PA14，發(fā)現Aqs1并不會(huì)影響噬菌體的産生的總量，無論是噬菌體自然進(jìn)入裂解周期或者是由絲裂黴素誘導産生。但是aqs1的敲減，确實會(huì)影響菌毛的産生，而菌毛作爲DMS3的受體，所以從圖3E中，發(fā)現溶源菌PA14（DMS3）對(duì)噬菌體的抗性比溶源菌PA14（DMS3Δaqs1）要更強，這(zhè)是因爲Aqs1的表達阻止了超感染的發(fā)生。而在液體體系中，噬菌體DMS3Δaqs1存在的時(shí)候，也表現出相同的結果（圖3F）。

03
之後(hòu)，研究者對(duì)Aqs1的蛋白質結構做了解析，是一個蛋白質二聚體的結構，每個單體由兩(liǎng)個α螺旋構成(chéng)。通過(guò)EMAS實驗，驗證了Aqs1是通過(guò)和LasR的DNA結合域作用而發(fā)揮作用的。通過(guò)比對(duì)Aqs1和JBD24、Tip序列中的不同點，對(duì)Aqs1進(jìn)行突變，發(fā)現Aqs1中和LasR的DNA作用的序列位于蛋白質結構的内部螺旋上，而影響PilB的位點則是位于蛋白質表面(miàn)的Trp45和Phe19。研究發(fā)現，通過(guò)對(duì)這(zhè)些部位的突變，都(dōu)相應地影響著(zhe)細菌的轉動性和綠青素的産量。

小結  
本文通過(guò)對(duì)溶源性噬菌體DMS3的解析，發(fā)現在噬菌體中編碼Aqs1蛋白的基因。這(zhè)項研究突出了噬菌體蛋白結合多種(zhǒng)宿主蛋白并破壞關鍵生物學(xué)途徑的非凡能(néng)力。由于群體感應影響各種(zhǒng)針對(duì)噬菌體防禦，因此Aqs1提供了一種(zhǒng)機制，感染噬菌體可同時(shí)抑制多種(zhǒng)防禦系統。由于群體感應系統廣泛分布于細菌之間，這(zhè)種(zhǒng)噬菌體反防禦機制可能(néng)在噬菌體宿主進(jìn)化動力學(xué)中發(fā)揮重要作用。