噬菌体与细菌基于群体感应的双向互作.docx

1、噬菌体与细菌基于群体感应的双向互作摘要在长期的共同进化过程中，噬菌体与细菌宿主之间产生了第杂的相互作用关系。群体感应(quorumsensing,QS)机制在噬菌体和细菌的双向相互作用中扮演了重要角色。综述细菌宿主对群体感应机制的利用，群体感应对生物被膜调节、噬菌体吸附过程以及调控CRISPR-Cas系统等方面所起到的效果，从噬菌体对群体感应机制的介入，总结群体感应机制在噬菌体溶原-裂解性调节以及噬菌体对群体感应机制的抑制，探讨对噬菌体QS机制的挖掘和解析，以期为群体感应机制在噬菌体治疗等领域的应用提供理论依据。关键词：群体感应：噬菌体-细菌宿主；溶原-裂解：微生物相互作用噬菌体是一种通过感染

2、易感细菌以开启自身熨制和生存生命周期的病毒，是地球上数量最多的生物实体，其数量约有10”个。噬菌体在肠道中也有广泛的分布，在许多方面都对人体起着至关市要的作用，如改变肠道菌群组成、加剧或减轻肠炎等疾病、通过肠脑轴影响大脑功能等。尽管噬菌体与其宿主之间为“捕食者”与“被捕食者”的关系，但二者之间的相互作用却不能用简单的拮抗模型来解释。例如，删除大肠杆菌BW25113中所有的前噬菌体会增加菌株对外源性应力的敏感性并降低其生长速率，该机制目前尚不清楚。这一现象说明噬菌体与细菌宿主间的相互作用机制是其杂的，在长期的共同进化过程中，噬菌体与细菌宿主最终形成了各异的相互作用机制。针对细菌基因组的相关研究表

3、明，近一半的测序细菌在其染色体内至少含有一个整合的噬菌体元件，这说明噬菌体-细菌宿主之间的相互作用在自然界中是广泛存在的。研究表明，群体密度很可能是影响噬菌体-宿主关系的重要因素，能够感知群体密度的群体感应机制也成为噬菌体与宿主间的重要通讯机制。群体感应(quorumsensing,QS)作为一种微生物间的通讯机制，可以动态调节微生物的各种新陈代谢和生理活动。在过去很长一段时间里，关于QS机制的研究主要着眼于细菌，而近年来随着宏基因组、宏蛋白组等检测技术的不断成熟，对噬菌体中QS机制的挖掘成为可能。Bruce等通过构建温和噬菌体产生和响应信号多肽的动力学数学模型并辅以实验验证，进一步说明QS信

4、号分子可以对噬菌体溶原裂解的过程进行调控，以帮助其更好地适应外部环境变化。目前，关于细菌-噬菌体中QS模块的研究，多数聚焦于讨论QS系统所调节的生物学功能及蛋白模块的分子机理。在调节生物功能方面，1.e6n-F61ix等探讨了各类信号分子的作用以及QS机制对噬菌体生命周期等生物功能的调控能力，其中着重介绍了QS对噬菌体与细菌宿主的动力学影响以及促进水平基因转移等作用。Wang等描述了细菌在抵御噬菌体侵染过程中QS系统起到的效果以及噬菌体与细菌基于QS机制的交流进程。在总结蛋白模块的分子机理方面，噬菌体内QS模块的分子结构和调控也有报道。然而，现有研究大多关注的是噬菌体内群体交流，从噬菌体到细菌

5、单一方向的表型调控以及噬菌体-细菌的其他相互作用，而对基于QS的噬菌体和细菌的双向相互作用的研究较少。本文从噬菌体与细菌宿主基于QS机制进行双向互作的角度总结该领域的相关研究，具体包括：噬菌体侵染时，细菌在生物被膜阻隔、噬菌体吸附位点调控、胞内抵御噬菌体三个阶段中应用QS系统躲避噬菌体侵染的机制：噬菌体利用介入细菌QS及调控Fi身QS的方式实现决策溶原-裂解生命进程及抑制细菌QS的策略；细菌-噬菌体QS领域在治疗应用以及QS模块挖掘解析的新趋势以及噬菌体-细菌之间的相互作用的新思路。1细菌利用QS躲避噬菌体侵染细菌可利用多种方式对噬菌体的侵染进行抵抗，其中QS机制是一种重要的调控手段，QS信号

6、传导更强的菌株可表现出更好的抗噬菌体能力。细菌宿主利用QS机制对细菌生物被膜、噬菌体吸附位点、CRISPR-Cas系统等方面进行调节，目的是在具有较高感染风险时提升自身的防御能力。1.1 QS调节细菌生物被膜生物被膜是一种细菌聚集体，通过细胞外聚合物(extrace1.1.u1.arpo1.ymericsubstance,EPS)附着于生物或非生物表面，能够抵御干燥、宿主防御系统和抗生素等外部环境压力。生物被膜对噬菌体拥有抵抗能力，在噬菌体侵染细菌的过程中，生物被膜的包裹可以掩蔽噬菌体吸附位点，从而避免细菌被对应噬菌体清除。因此，当噬菌体对宿主细菌开始侵染前，需要首先跨过生物被膜的阻碍。QS系

7、统可以协调生物行为以促进生物被膜形成，当群体密度超过临界密度时，将通过级联信号引起基因表达变化，进而改变细菌的行为。在生物被膜形成初期，QS将细菌从浮游状态转变为聚集状态，并使其持续分泌融类、蛋白质、脂类、细胞外DA等复杂混合物，从而形成生物被膜。QS系统会介导生物被膜对噬菌体的侵染产生反应。例如，当低浓度噬菌体对生物被膜内的细菌进行侵染时，细菌宿主中的QS分泌基因（如大肠杆菌中的1.UX系统及铜绿假单胞菌中的1.as系统）将会上调，相比于未暴露于噬菌体的对照组上调4.124.9倍，从而促进生物被膜的产生及成熟，并形成更加致密的结构，抵御噬菌体的侵染；当暴露于高浓度噬菌体时，该类基因又会被少量

8、抑制（图Do此外，1120样噬菌体也对其宿主鳗弧菌90-11-287有着类似的影响。Tan等构建了z1.切簿以及/1两个QS基因突变体，前者会表达高水平的QS转录因子VanT,使得细菌被锁定在高细胞密度的QS模式中，后者则不表达VanT,无法激活QS,细菌被锁定在低细胞密度的QS模式中。实验表明，当细菌处于低细胞密度状态时，4H20样噬菌体会促进细菌生物被膜的产生：当细菌处于高细胞密度状态时，QS会抑制前噬菌体的诱导，从而保护细菌宿主。综上可知，QS可通过调控生物被膜对噬菌体产生抵抗作用，这是细菌宿主躲避噬菌体的方式之一。nHnutw*rd，Rrcrftor图1细菌利用群体感应系统调控生物被膜

9、形成1.2 QS调控噬菌体吸附过程吸附是噬菌体开始侵染细菌宿主的第-阶段。在该阶段中，噬菌体利用黏附蛋白或受体结合蛋白(receptorbindingproteins,RBPS)作为吸附装置，辅以其他接受RBP结合信号的病毒粒了成分，附着于细菌宿主受体之上，进而完成吸附过程。QS可通过调节细菌表面受体对吸附过程进行调控。Ding等在研究1.-2介导的QS在抵抗T4噬菌体感染中的作用以及对大肠杆菌代谢的调控机制时发现，当I-2QS信号分;存在时，T4噬菌体吸附受体基因OW、口aa/f和Iraa。表达量分别降低了60%、65%和85乐噬菌斑数量减少了约26k这说明信号分GAI-2的加入减少了噬菌体

10、的吸附，从而增加了宿主时T4噬菌体的抗性。Hoy1.and-Kroghsbo等在大肠杆菌KT2中发现，细菌可响应N-酰基T-高丝氨酸内酯(N-acy1.homoserine1.ac-tone.H1.s)QS信号，通过SdiA受体传导使细胞表面1.amB蛋白水平降低40%,最终导致噬菌体吸附率降低约二分之一。此外，有研究发现在铜绿假单胞菌中，V型菌毛T4P可作为铜绿假单胞菌噬菌体vB_Pae_S1.和Vi1.PaeJR的重要受体，而I噪可以通过下调基因piM、PijB和PiiQ的表达，进而减少T4P介导的噬菌体吸附来保护铜绿假单胞菌免受噬菌体感染。尽管该进程并未与AH1.介导的QS进行直接的相互

11、作用，但叫咻作为一种细胞间信号分子或许拥有成为特定QS信号分子的潜力。一些研究也表明QS会对噬菌体的吸附产生正面效应。Xuan等在研窕Ias和rh1QS对噬菌体侵染铜绿假单胞菌(Pseudomnasaerugjnose)P?01过程中所起的作用时发现，1.asQS的存在有助于噬菌体的侵染。进一步研究发现，IaSQS上调了脂多糖(IiPoPo1.ySaCCharide,1.PS)合成的关键基因的的表达，而1.PS作为啤.菌体的吸附位点，其含量增多导致了噬菌体吸附率增加，从而增加了噬菌体的感染。有关QS正向调控噬菌体吸附过程的案例相对较少,但该现象表明QS对噬菌体吸附过程的调控作用是复杂的(图2)

12、对该领域的研究有望促进利用QS提高噬菌体治疗中的噬菌体侵染效果。Srr*iM*MBrrUw4rVi”oonoQOtIjdEg*Yo-E-oooI:Iof2C-oo-E1IMr/Xr图4嵯菌体通过群体感应调控自身溶原-裂解过程2.1.1 噬菌体应用细菌群体感应机制多项研究证明，噬菌体可以依麓宿主的QS系统对自身的生命周期进行调控，其中较有代表性的为Si1.pe等在霍乱弧菌及其噬菌体VP882中发现的VqmQS系统。在霍乱弧菌中存在一套山臼诱导物3,5-二甲基毗嗪醉(dimcthy1.pyrazino1.,DPO)和受体VqmA共同组成的QS系统，其作用是抑制毒性和生物被膜形成的基因。霍乱弧菌的

13、噬菌体VP882能够编码蛋白Gp56(Vqm.%s),这是一种可以结合DPO的受体蛋白，与弧菌QS受体VqmA同源。当霍乱弧菌培养物达到高细胞密度时，环境中的DPo浓度增高，VqmA心(I。可通过结合DPO被激活，导致噬菌体抗抑制蛋白Qtip(quorum-triggeredinactivatorofc1.Protein)表达上调，并隔离噬菌体C1.阻遏物，最终导致噬菌体进入裂解周期。值得注意的是，VqmArz可以结合自身的启动子，同时也可以结合宿主的启动子，但宿主所产生的VqmA蛋白不能与噬菌体的启动子相结合。这一机制是为了确保噬菌体不仅可以对宿主的QS系统进行监听和产生反应，同时也能够保护

14、噬菌体不受宿主蛋白的干扰,F1.行决定自身的溶原裂解过程。在气单胞菌ARM81中同样也发现了噬菌体小ARV81Id,其名为37的基因编码一种假定的/X型转录因子(1.UXRU网M)o1.uxR1三w能够与宿主气单胞菌属成员产生的C4-HS1.(A-butanoy1-D1.-homoserine1.actone)QS信号分子相结合。此外,Aeromonaspopoff/i中的噬菌体同样包含IUXR型受体，但并不与噬菌体的溶原裂解机制直接相关，其可能调控细菌的其他生物功能，如重复感染排除等。大肠杆菌ATCCI4155携带与肠杆菌噬菌体T1.具有99.86%同源性的前噬菌体，与裂解性T1.噬菌体不同

15、该前噬菌体可采用溶原形式宿于宿主体内。1.aganenka等研究发现将ATCC14155与包含AzrS基因的W3110共培养时，u*S所编码的AI-2QS信号分子将会诱导前噬菌体发生裂解。进一步研究发现，噬菌体编码的转录调控因子Pir会因AI-2的存在而上调，其具体机制目前尚不清晰，但足可证明AI-2信号分子可调控溶原性噬菌体的裂解开启。噬菌体对细菌宿主的QS机制的监测和利用反映了外部环境因素对噬菌体溶原-裂解生命进程的调控作用，同时也体现了噬菌体与细菌宿主之间的信息交流。目前，通过同源预测等方式已在更多的噬菌体中发现了包含宿主QS模块的片段，而在多种菌屈中均发现噬菌体受到宿主QS机制影响，

16、这代表该现象可能广泛存在于噬菌体中。在自然界中，大多数潜在溶原-裂解决策调控机制尚未被发现，目前研究的重点在于发掘新的噬菌体QS模块，在未来的研究中，QS在噬菌体中的作用以及机制解析具有较大的研究潜力。2.1.2 噬菌体自身群体感应机制调控溶原裂解Erez等研究发现，phi3T噬菌体中存在一种名为“仲裁肽”的QS系统,由AimX、AimR和AimP三部分组成。AimX是一种非编码RNA,用于沉默”抑制因子，促进噬菌体的裂解过程。AimR编码一种转录因子，可激活AimX并与AimP结合。AimP编码一种短蛋白，在被细胞外蛋白酶进一步加工后，能够产生6个第基酸的仲裁肽信号分子,这些信号分子通过细菌

17、的寡肽渗透IW(OIig。PCPIidase,OPP)通道从外部环境进入细胞内。当环境中噬菌体的浓度较低时，细胞内仲裁肽信号的浓度较低,AimR便会与AimX启动子结合并促进噬菌体的裂解。相反，当环境中噬菌体浓度较高时，细胞内仲裁肽信号的浓度便会升高，AimP信号分子会与AimR转录因子结合，从而促进噬菌体的溶原过程。“仲裁肽”系统的存在揭示了噬菌体内部基于群体密度的互动机制，后续研究发现“仲裁肽”系统在自然界中广泛存在。Stokar-Avihai1.等利用PSI-B1.AST方法在一个包含6万余种细菌、古细菌和病毒基因组的数据库中进行同源性搜索，检索到1180个AimR同源体，其中96%位于

18、a加样基因的直接上游，说明噬菌体通过信号分子进行交流是一个普遍现象。Bernard等在芽胞杆菌噬菌体phi3T的基因组中鉴定出了一种与宿主QS系统同源的RapPhrQS系统，推测该系统可在噬菌体感染期间下调宿主的防御机制，其中Rap小蛋白可以延迟其新溶原的细菌宿主中公共产物的生产，使得噬菌体更好地进行溶原过程。目前对于噬菌体内QS机制的研究尚有不足，尤其是新的QS模块的发掘工作。未来随着新的基因检测技术及生物信息分析技术不断涌现和发展，该领域或将有更多的进展和发现。2.2 抑制细菌群体感应系统细菌宿主广泛运用QS系统调控自身状态以避免被噬菌体侵染，在长期的共同进化中，噬菌体也进化出了抑制细菌宿

19、主QS的机制。噬菌体侵染会改变细菌内部和细菌间QS相互作用相关的基因表达，进而影响复杂的微生物行为(图5)oRutbeek等在化脓性链球菌(,S1.reptOCOCeUSAyogOS)中发现了一个噬菌体通过编码蛋白抑制细菌宿主QS机制的案例。化脓性链球菌中包含一套名为COMRS的QS系统，其中COmR是一种QS受体和转录因子，属于RnPP蛋白家族的Rgg亚群,与其结合的是一种名为XIP的短肽。COinS编码XIP,被加工后形成由78个获基酸构成的小信息素分子，XIP与ComR结合能够调控形成正反馈QS回路。而化脓性链球菌中的前噬菌体会编码一种名为PrX的蛋臼，能够在体外和体内抑制该信号回路。针

20、对其分子机理的进一步研究表明,Prx蛋白可以诱导apo-ComR发生构象变化，并进入其DNA结合域，从而阻碍ComR与ComS和s/躺的目标启动子区域的关联。图5噬菌体抑制细菌群体感应系统噬菌体可以通过此种形式阻碍宿主的信号交流并调控其自然转化的功能。例如，ChatteCee等在鉴定噬菌体VPE25感染粪肠球菌所必需的细菌基因时发现，噬菌体侵染的过程会导致一种名为泰，的QS基因表达量显著降低。后r系统由/切凡2r做和rC三部分组成，被认为与细菌生物被膜的形成密切相关。当VPE25进行侵染时，FsrBD和FsrC的表达受到抑制，并且抑制程度随时间而增强。该现象暗示噬菌体侵染可能通过干扰QS机制减

21、弱生物被膜的形成，进而有利于自身的侵染过程。另有研究发现噬菌体NPV-I也拥有对粪肠球菌fs/6基因的抑制作用，当NPV-I进行侵染时，fs*的mRNA水平下降。此外,噬菌体也可以编码QS抗激活蛋白Aqs1.,它能够抑制QS的主要调节因子1.aSR的活性，并与IV型菌毛组装ATP酶蛋白Pi1.B结合，使得表达AqSI的噬菌体阻止宿主抗噬菌体防御能力的上调，并保护受感染的细胞免受其他噬菌体的攻击。3总结与展望随着抗生素的广泛使用，细菌的耐药性问题逐渐严峻，噬菌体疗法作为能够有效解决抗生素耐药问题的解决方案重新得到了关注。研究表明，噬菌体不仅可直接杀灭病原体，还能通过增加选择性压力的方式来影响细菌

22、群落稳态。此外，噬菌体在消除生物被膜以及癌症治疗领域也有着H大的潜力。对噬菌体与细菌宿主之间的相互作用机制进行解析可为噬菌体治疗打下良好的基础，而破解二者通过QS的双向互作交流机制也为发展噬菌体应用于微生物群落控制等方面提供了潜在的工具。针对QS介导的微生物间通讯网络(QSCO1.nmUniCationne1.work,QSCN)的研究不仅可以助力合成微生物群的稳定性构建以促进肠道疾病的潜在治疗和代谢生产的效率提升，更是噬菌体QS相关研究的基础和重要方向。目前，受限于大部分噬菌体仍处于未培养状态，对噬菌体及细菌间的QS系统的研究主要着眼于对可培养噬菌体内QS系统的发掘及表征，对其内部所代表的生物学意义则研究较少，同时对于未培养的噬菌体中的QS模块关注度不足。噬菌体中QS模块的发掘工作尚有巨大的研究空间，尤其是对现有QS模块序列特征和结构特征的学习等方面。未来值得关注的研究方向包括：(1)基于不断扩大的噬菌体基因数据库，利用机器学习等工具维续挖掘未培养噬菌体中的QS机制：(2)可利用多组学技术对噬菌体中的QS模块具体调控何种生理活动以及其具体调控机制进行深度研究。总之，QS机制在细菌和噬菌体之间的双向相互作用中发挥着至关重要的作用。未来将通过更多的研究来深入理解这种相互作用的生物学机制，从而为医疗、控制细菌感染等提供更有效的策略。