占山为王：噬菌体编码蛋白防御宿主细菌被其他噬菌体感染

噬菌体是一种感染细菌的病毒，虽然噬菌体对人体（及其他真核细胞生物）无害，但它对细菌而言可能是致命的，因为很多噬菌体感染后劫持细菌进行繁殖，最终裂解并杀死宿主细菌。噬菌体疗法——即利用噬菌体特异性杀菌——已成为对抗对致病性耐药细菌的重要手段。 
噬菌体个性化治疗蓬勃兴起的同时，同样面临许多挑战，原噬菌体是其中之一。自然界中噬菌体与细菌并非全是你死我活的关系，相互利用是它们的共存策略之一。与裂解性噬菌体不同，原噬菌体侵入细菌细胞后并不裂解宿主，而是将其基因组整合到宿主菌的基因组上，这些噬菌体的基因组还保留编码蛋白的功能。越来越多的研究表明，有些原噬菌体编码蛋白被其宿主细菌用于对抗自己的宿主（如一些噬菌体蛋白有助于细菌感染人类）。另一些对分枝杆菌和铜绿假单胞菌的研究表明，原噬菌体编码蛋白则可以抑制其宿主菌被其他噬菌体感染。 
据美国利哈伊大学生物科学系Vassie C. Ware教授称，许多病原细菌中都含有原噬菌体，有些原噬菌体可能参与到细菌的防御系统，使噬菌体治疗更具挑战性。噬菌体治疗所用的裂解性噬菌体为了能杀灭这类病原细菌，还需要克服靶细菌所含原噬菌体的防御系统。 
Vassie C. Ware教授团队与前同事（现桑迪亚国家实验室）Javier Buceta 教授团队最近合作开展了一项研究，该研究以耻垢分枝杆菌标准株mc²155及其噬菌体Butters为模型。前者因致病力弱、生长相对快速，是研究分枝杆菌（包括引起结核病的结核分枝杆菌及脓肿分枝杆菌等其他致病性非结核分枝杆菌）的模式菌株。Butters噬菌体是由SEA-PHAGES夏令营学员Lena Ma于2012年在利哈伊的一处土壤样本中发现。 
SEA-PHAGES (Science Education Alliance-Phage Hunters Advancing Genomics and Evolutionary Science)：由美国匹兹堡大学Graham Hatfull教授团队开展的面向高中生的噬菌体分离和基因分析夏令营。 
该合作团队发现了一个由 Butters 原噬菌体基因组成的双组分系统，这些基因编码的蛋白质相互“协作”以阻止某些噬菌体的侵入和感染。研究者发现，虽然 Butters 原噬菌体不能保护细菌细胞免受所有噬菌体攻击，但Butters 原噬菌体防御系统中存在针对不同噬菌体类型的不同防御系统。这一成果于2020年10月发表在美国微生物学会期刊 mSystems 上。
“我们团队与其他合作者的先前研究表明，原噬菌体表达的基因可以保护其细菌宿主免受某些特定噬菌体群体的感染。而原噬菌体Butters是不是也有类似机制及如何作用还尚未有研究，” Ware教授说。“通过我们的研究，我们希望确定参与防御几种噬菌体感染的基因，但没想到发现两种蛋白质之间的相互作用会影响其中一种蛋白质在防御中的功能。” 
Butters原噬菌体隶属N簇分支杆菌噬菌体，已有研究表明一些N簇原噬菌体通过基因组中心可变区基因介导宿主对其他异型噬菌体的防御。Graham Hatfull教授团队2019年发表于mBio杂志的论文发现I簇/ I2亚簇分枝杆菌前噬菌体Sbash可变区30和31号基因编码蛋白（gp30和gp31）参与介导细菌防御）。通过生物信息学分析，Ware教授团队发现原噬菌体Butters的gp30和gp31基因也位于可变区域，它们在Butters噬菌体的溶源性周期表达，使它们成为这项研究的候选基因。 
通过噬菌体成斑实验，该团队发现Butters噬菌体的gp30和gp31基因在防御异型噬菌体感染中发挥了关键作用。研究者通过免疫荧光显微镜和免疫沉淀实验，证明这2个基因编码蛋白可相互作用。它们组成的双组分系统可帮助宿主细菌抵御PurpleHaze（A簇/ A3亚簇）和Alma（A簇/ A9亚簇）噬菌体感染，但不足以抵御Island3（I簇/ I1亚簇）噬菌体感染（图1）。 

图1. 原噬菌体Butters编码蛋白防御其他噬菌体攻击的模式假设图 
分枝杆菌噬菌体Butters编码的蛋白gp30和gp31在宿主细菌的细胞膜上结合。当其他噬菌体感染该细菌时，会触发gp30蛋白释放到细胞质中，变成活化状态，促使细菌对抗噬菌体的感染。除了gp30和gp31，Butters噬菌体的基因组可变区还编码另外3种膜蛋白（gp33、gp35、gp36）和2种细胞质蛋白（gp32、gp34），它们是否介导噬菌体参与的宿主防御尚未可知。 
“总的来说，这些研究数据使我们能够构建一个预测模型来描述Butters原噬菌体双组分系统如何在防御特定噬菌体攻击方面发挥作用”，Ware教授说，“原噬菌体存在的多样性防御机制，使得建立用于噬菌体治疗的广谱噬菌体鸡尾酒组更具挑战性。” 
除了为噬菌体治疗提供借鉴外，该研究对于构建可用于食品工业等生物技术领域的抗噬菌体工程细菌也具有借鉴意义。（文章来源：上海噬菌体与耐药研究所）