作者：王硕，南京农业大学硕士在读，主要研究利用噬菌体防治土传病害。
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噬菌体一直以来一直被视为治疗抗生素耐药菌感染的潜在方案。尽管尚不清楚许多噬菌体及其功能，但下一代测序技术的出现促进研究人员对新的裂解和溶原机制的了解。此外，在过去的十年中，人们对利用噬菌体作为治疗载体、靶向调控致病细菌或共生细菌以及诱导免疫调节的手段重燃兴趣。在这篇综述中，作者旨在强调噬菌体生物学的最新进展，以及对噬菌体-细菌-宿主相互作用的机制理解如何促进新型噬菌体疗法的发展。作者概述了噬菌体疗法在使用时所面临的挑战，以及如何克服这些挑战，以便将来治疗各种传染性和非传染性疾病时，利用噬菌体作为人体微生物组的特定“编辑器”。噬菌体是可以侵染原核生物的病毒，它们包含地球上最大的遗传变异资源库。存在细菌宿主的地方就存在噬菌体，例如水沉积物、土壤和人体粘膜表面。噬菌体“吸附”在宿主细胞膜上，并通过外部结构（例如尾部纤维）与细菌受体相互作用，从而通过尾部的酶将它们的DNA经细菌细胞壁注入细菌内部。在这个过程中，噬菌体衣壳保留在细胞外，而病毒遗传物质可能位于细胞质中，以两种主要状态存在。第一种状态是以烈性噬菌体的形式存在：噬菌体利用宿主的复制机制产生更多的病毒体，然后通过裂解宿主细胞将其释放。第二种状态具有温和噬菌体的特征：噬菌体基因组可以整合到细菌染色体中，并保持在休眠状态，与细菌基因组一起复制。微生物的压力信号可能诱导溶原状态和裂解状态之间的转换（图1a）。维持溶原性需要连续转录能够抑制裂解基因（例如λ噬菌体中的CI蛋白）的阻遏蛋白。阻遏蛋白水平的下降或压力信号（如DNA损伤）的出现可以解释为整合的噬菌体对宿主自身基因组的稳定性构成了威胁，会诱导温和噬菌体从细菌染色体中切除并进入裂解周期（图1a）。
图1 噬菌体-细菌的相互作用机制
细菌通过突变下调表达或丢失特异性受体、产生细胞外聚合物（EPS）或荚膜掩盖噬菌体受体。但是噬菌体可以识别新受体或迅速适应突变受体。有尾噬菌体的尾部含有内切唾液酸酶结构域，这使它们能够消化被掩盖受体的EPS（图1b）。进入细菌细胞后，噬菌体会遇到限制性内切酶（R–E）系统，该系统采用限制性内切酶（REase）裂解外来核酸，而细菌DNA受甲基化保护。噬菌体可以通过改变限制性位点或主动使其自身DNA甲基化来抵抗这种防御系统，如乳酸乳杆菌噬菌体φ5030所示（图1c）。流产感染系统（Abi）在噬菌体感染细菌时诱导细菌细胞 “自杀”，从而阻止进一步感染。例如毒素-抗毒素系统，该系统包括抑制细胞重要生命过程的毒素和保护细胞的抗毒素。存在压力信号（例如噬菌体侵染）的情况下，抗毒素会降解，导致细胞休眠或死亡。噬菌体可以通过表达类似于抗毒素转录物的小型RNA分子来克服这种防御系统。细菌的CRISPR-Cas系统能够识别和切割与RNA序列匹配的噬菌体基因组（图1d）。为了生存，噬菌体开发了抗CRISPR蛋白（Acrs），可通过抑制其蛋白复合物的成分来阻止CRISPR免疫。噬菌体之间则可以通过产生Acrs进行合作。从这些观察结果可以清楚地看出，噬菌体可以在基因型、表型和群落水平上驱动微生物多样性，影响细菌之间的竞争并保持细菌多样性。
噬菌体可以间接调节免疫系统。它们可能会改变其病原宿主或共生宿主的感染性和毒力。例如，溶源性噬菌体可以在修饰细菌的DNA时通过溶源性转化提高细菌的适应性。噬菌体除了通过修饰细菌的行为来间接宿主影响外，还可能直接影响哺乳动物宿主的免疫反应。因为噬菌体与靶向哺乳动物细胞的病毒具有某些共同特征，因此被先天宿主受体（例如Toll样受体家族的成员）识别。例如，在人类肠道中乳杆菌、大肠杆菌和拟杆菌的噬菌体可以通过肠道内的Toll样受体9（TLR）来诱导干扰素γ（IFNγ），这可能会触发噬菌体特异性和细菌特异性免疫（图2）。但是，并非所有噬菌体都会触发这种先天免疫。噬菌体制剂激活宿主免疫的另一个关键因素是内毒素的潜在污染。内毒素是免疫的强力诱导剂，因此可能潜在地影响宿主对噬菌体的免疫反应。在铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa）引发的呼吸道感染中，特定噬菌体的存在会大大增加其体内感染性，从而导致更高的发病率和死亡率。这种效果依赖于噬菌体与宿主免疫系统的相互作用（图2）并通过激活TLR3和诱导I型干扰素来实现。噬菌体还显示出促进M2巨噬细胞的两极分化以及减少细菌的吞噬作用（图2）。
图2 肠道内噬菌体与免疫系统的相互作用
噬菌体疗法的潜在优势是能够进行自我复制，宿主范围狭窄，从而限制了脱靶效应（避免伤害其它微生物），保持了微生物群落的完整性和平衡。然而，狭窄的宿主范围也可以被认为是一种局限性，因为通过单一噬菌体抑制给定物种的所有致病菌株是很困难的。最近，使用噬菌体鸡尾酒（由多种靶向不同宿主的噬菌体组成）被证明是增加噬菌体宿主范围的有效策略，同时也延迟或预防了噬菌体耐药性的产生。尽管目前已知噬菌体可能会刺激先天性和适应性免疫系统，但是许多研究报告认为噬菌体是安全的。目前已经提出通过适应性调节途径来应对这些挑战，允许噬菌体文库的开发，从而能够在应对不同的病原体感染时配置适宜的噬菌体鸡尾酒（图3）。
图3 噬菌体疗法在临床应用时的困难与解决方法
噬菌体疗法的另一种形式是利用噬菌体的免疫调节特性来引发针对病原细菌的宿主免疫反应。尽管抗体与噬菌体的结合会限制噬菌体的治疗功效，但是噬菌体能够产生免疫的特性已被用于诱导有效的免疫反应。例如，将细菌菌株暴露在噬菌体中，导致其适应性降低和生长减慢，从而使它们能够被用作疫苗。甚至将噬菌体的结构成分用作疫苗。此外，特定的免疫学机制，例如通过噬菌体感染将特定蛋白抗原呈递给树突状细胞，已被用作诱导T细胞免疫的工具。总而言之，这些发现证明了噬菌体或其成分在免疫调节中的广泛用途，从而强调了噬菌体在经典噬菌体疗法领域之外的重要性。作者以人类肠道中的噬菌体为研究对象，强调了噬菌体影响宿主细菌的作用机制，介绍了噬菌体调节宿主免疫的直接和间接手段，提出了弥补单一噬菌体疗法不足的解决方案—噬菌体鸡尾酒，最后补充了噬菌体在经典噬菌体疗法之外的用途。就土壤噬菌体而言，目前对它们的研究较少且很少关注噬菌体与宿主植物的相互作用，可以将肠道噬菌体的研究思路与作用机制运用到土壤噬菌体的研究中。论文信息
原名：Phages and theirpotential to modulate the microbiome and immunity
译名：噬菌体及其操纵微生物群落和免疫力的潜力
期刊：Cellular &Molecular Immunology
IF2020：8.2130
发表时间：2020.09
通讯作者：Eran Elinav
通讯作者单位：魏茨曼科学研究院
