噬菌体如何扰乱细菌的防御系统？

2021年由多伦多大学生物化学系，Karen L.Maxwell发表在Molecular Cell上的一篇文章“A phage-encoded anti-activator inhibits quorum sensing in Pseudomonas aeruginosa”，揭示了溶原性噬菌体DMS3的基因组编码了一种Anti-activator蛋白—Aqs1，能结合铜绿中LasR蛋白的DNA结合区域，从而抑制铜绿假单胞菌群体感应中的多个噬菌体防御机制，如Aqs1能结合PilB基因，抑制了铜绿菌毛的产生。在本文中使用的噬菌体DMS3又是以菌毛作为受体的。作者发现LasR在铜绿群体感应的调节通路中处于上游位置，同时影响着其他几个针对噬菌体的防御系统，但是由于Aqs1的结合，使得下游的噬菌体防御系统瘫痪，保证了DMS4对PA14的感染力。本文更深层次地揭示了细菌和噬菌体在进化中互相制约，彼此进化的潜力。

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那Aqs1到底是如何发现的呢？首先，作者通过将DMS3中的14个非保守基因分别在铜绿假单胞菌PA14中表达，发现其中Aqs1的表达会导致细菌表型有大的转变，特别是在细菌的转动能力、绿青素的产生、毒力因子的产生或者噬菌体抗性方面。通过对已有的报道研究发现，铜绿噬菌体D3112中Tip的表达对溶源菌的转动性能有影响；而在另一株噬菌体JBD24中也发现使溶源菌的转动性受到抑制的情况。通过序列比对发现，这三株噬菌体同属MP22—Like病毒家族，而且这部分基因显示出了序列和位置上的相似性。 

作者进一步研究发现，在噬菌体感染发生的早期Aqs1就已经开始产生。因为蛋白质Aqs1在感染细菌早期就已经产生，所以当细菌密度上升的时候，Aqs1就抑制了细菌之间群体感应引发的噬菌体防御系统。
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作者在aqs1基因上删除177bp的片段，改造为DMS3Δaqs1，感染PA14，发现Aqs1并不会影响噬菌体的产生的总量，无论是噬菌体自然进入裂解周期或者是由丝裂霉素诱导产生。但是aqs1的敲减，确实会影响菌毛的产生，而菌毛作为DMS3的受体，所以从图3E中，发现溶源菌PA14（DMS3）对噬菌体的抗性比溶源菌PA14（DMS3Δaqs1）要更强，这是因为Aqs1的表达阻止了超感染的发生。而在液体体系中，噬菌体DMS3Δaqs1存在的时候，也表现出相同的结果（图3F）。

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之后，研究者对Aqs1的蛋白质结构做了解析，是一个蛋白质二聚体的结构，每个单体由两个α螺旋构成。通过EMAS实验，验证了Aqs1是通过和LasR的DNA结合域作用而发挥作用的。通过比对Aqs1和JBD24、Tip序列中的不同点，对Aqs1进行突变，发现Aqs1中和LasR的DNA作用的序列位于蛋白质结构的内部螺旋上，而影响PilB的位点则是位于蛋白质表面的Trp45和Phe19。研究发现，通过对这些部位的突变，都相应地影响着细菌的转动性和绿青素的产量。

小结  
本文通过对溶源性噬菌体DMS3的解析，发现在噬菌体中编码Aqs1蛋白的基因。这项研究突出了噬菌体蛋白结合多种宿主蛋白并破坏关键生物学途径的非凡能力。由于群体感应影响各种针对噬菌体防御，因此Aqs1提供了一种机制，感染噬菌体可同时抑制多种防御系统。由于群体感应系统广泛分布于细菌之间，这种噬菌体反防御机制可能在噬菌体宿主进化动力学中发挥重要作用。