噬菌体之间的信息传递和群体决策 | Nature 论文推荐

最近，以色列威兹曼科学院的研究者们发现，噬菌体之间会通过一种小分子多肽相互沟通。

撰文 严冰

审校 苗润丰 

噬菌体是一种结构简单的以细菌为宿主的病毒。溶原性噬菌体（lysogenicphage，亦称温和噬菌体），有两种生命周期——当噬菌体将基因组注射入细胞之后，它可以选择：（i）进入裂解性周期，大量组装新的病毒颗粒，最终裂解宿主细胞，释放新的病毒颗粒，（ii）进入溶原性周期，将自己的基因组整合进细菌基因组，只表达有限的几个病毒基因，大部分时间保持沉默，不对宿主细胞造成损伤。在特定信号的刺激下，溶原性周期的噬菌体可被激活，进入裂解性周期。

为解释噬菌体是如何在上述两种周期中进行选择的，研究者们一直致力于寻找相关的细胞内信号通路和基因回路，但都没有得出一个很好的模型。最近，以色列威兹曼科学院的研究者们发现，噬菌体之间会通过一种小分子多肽相互沟通。

实验中，研究者用四种不同的噬菌体感染细菌Bacillussubtilis，三小时后筛查培养基中是否有抑制噬菌体感染的分子存在。他们发现了一个小分子多肽arbitrium，它由其中一种噬菌体 phi3T 合成并分泌到环境中，对细菌有保护作用（但仅针对噬菌体 phi3T，其他几种噬菌体不受影响）。¹

为进一步研究具体机制，研究者通过对噬菌体 phi3T  基因组进行测序，发现了一种特殊的病毒编码蛋白，并将其命名为  AimP 蛋白。这种蛋白由43个氨基酸组成，与参与细菌群体感应（quorumsensing）和多肽介导信号通路的蛋白质十分相似。噬菌体  phi3T 入侵细胞后，表达 AimP，这种蛋白经过酶切产生的小分子多肽 arbitrium（仅含6个氨基酸）会被分泌到细胞外，并被周围细菌通过细胞膜上的多肽通透酶转运蛋白（OPP）转运到胞内。Arbitrium 被转运到细菌内后，可结合胞质内的噬菌体蛋白  AimR  并且抑制其活性。AimR 是一种转录调节因子，正常情况下可结合在噬菌体基因组的特定位置，激活 aimX 基因的转录，从而促使噬菌体进入裂解性周期（具体机制未知）。因此，arbitrium 通过降低  aimX 的表达，抑制噬菌体进入裂解性周期，从而提高了噬菌体 phi3T 进入溶原性周期的可能性，保护宿主细胞不被裂解。¹

图1. 噬菌体phi3T编码多肽arbitrium对噬菌体生命周期的影响。

在感染后期，arbitrium 在环境中累积到很高浓度，噬菌体溶原化频率非常高，对细菌细胞裂解有很强的抑制效果。1这一机制对噬菌体十分有利，因为此时环境中细菌的密度大幅下降，进入裂解性周期只会进一步降低宿主细胞的数目，而进入溶原性周期则更有利于它的繁殖。

另外，arbitrium 只对编码产生它的噬菌体种类有影响，不同种的噬菌体会编码序列不同的多肽，通过相似的机制进行“种内”沟通。这就像每种噬菌体都有自己的语言，只在同类之间交换信息，为感染行为做出决定。¹该文章的作者进一步猜想，感染高等动物的病毒可能会进化出更加复杂的信息传递机制，使不同种类的病毒之间也可以进行沟通。例如，感染人类的  HIV  和疱疹病毒都可造成急性感染和慢性感染，它们之间可能会通过信息传递影响感染行为。作者还指出，如果有一种可以促使病毒进入溶原性周期的分子存在，那么利用它让病毒完全进入潜伏期将会是一种很好的治疗手段。²

【参考文献】

1. Virology: Phages make a group decision

http://www.nature.com/nature/journal/vaop/ncurrent/full/nature21118.html

2. Do you speak virus?

http://www.nature.com/news/do-you-speak-virus-phages-caught-sending-chemical-messages-1.21313

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【论文信息】

【题目】Communication between virusesguides lysis–lysogeny decisions

【作者】Erez, Z. et al

【期刊】Nature

【日期】Published online 18 January 2017

【DOI】10.1038/nature21049

【摘要】Temperate viruses can becomedormant in their host cells, a process called lysogeny. In every infection,such viruses decide between the lytic and the lysogenic cycles, that is,whether to replicate and lyse their host or to lysogenize and keep the hostviable. Here we show that viruses (phages) of the SPbeta group use asmall-molecule communication system to coordinate lysis–lysogeny decisions.During infection of its Bacillus host cell, the phage produces a sixamino-acids-long communication peptide that is released into the medium. Insubsequent infections, progeny phages measure the concentration of this peptideand lysogenize if the concentration is sufficiently high. We found thatdifferent phages encode different versions of the communication peptide,demonstrating a phage-specific peptide communication code for lysogenydecisions. We term this communication system the ‘arbitrium’ system, andfurther show that it is encoded by three phage genes: aimP, which produces thepeptide; aimR, the intracellular peptide receptor; and aimX, a negative regulatorof lysogeny. The arbitrium system enables a descendant phage to ‘communicate’with its predecessors, that is, to estimate the amount of recent previousinfections and hence decide whether to employ the lytic or lysogenic cycle.

【原文链接】

http://www.nature.com/nature/journal/vaop/ncurrent/full/nature21049.html#auth-1

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