【LorMe周刊】Anti-CRISPR噬菌体合作过程中的剥削行为

作者：杨可铭，南京农业大学博士在读，主要研究利用噬菌体防治土传病害。

周刊主要展示LorMe团队成员优秀周报，每周定期为您奉上学术盛宴！本期周刊为您介绍不同类型的Anti-CRISPR噬菌体合作侵染细菌宿主过程中的剥削行为。原文于2020年发表在 Cell Host & Microbe。

导读

CRISPR是一种细菌抵抗噬菌体侵染的获得性免疫系统。为了克服细菌的CRISPR抗性，噬菌体进化出了抗CRISPR的蛋白（Acr）。具有Acr的噬菌体们必须通过合作来克服细菌CRISPR-Cas免疫系统介导的噬菌体抗性。其中，第一个噬菌体负责阻断CRISPR-Cas免疫，以便允许后续的Acr噬菌体成功复制。然而，在自然界中，细菌通常不是预免疫的，噬菌体群体通常也不是单克隆的，表现出Acr存在与否的差异和强度的不同。本文探索了在存在和不存在Acr缺失的竞争噬菌体的情况下，Acr噬菌体和最初敏感的细菌之间的相互作用是如何进化的。研究发现，Acr噬菌体通过限制基于CRISPR的抗性的进化，帮助Acr 缺失的噬菌体在抗性宿主亚群上复制，从而使Acr缺失噬菌体受益。这些益处取决于Acr的强度，并导致当Acr噬菌体与Acr缺失噬菌体竞争时，强Acr对噬菌体提供的适应度优势要小于弱Acr，即强Acr噬菌体受到了Acr缺失噬菌体的剥削。这些结果表明，不同的Acr类型塑造了自然群落中噬菌体种群的进化动态和群落相互作用。

图1 Acr缺失噬菌体单独侵染、与弱Acr噬菌体共同侵染、与强Acr噬菌体共同侵染的机制图示

Acr噬菌体单独侵染时限制了CRISPR抗性的获得

Acr噬菌体在细菌有无CRISPR系统时表现出一致的侵染动态。而Acr缺失噬菌体面对有CRISPR的细菌（WT）时，当细菌进化出抗性后，噬菌体的丰度大幅下降（图2-AB）。在这个过程中，细菌对Acr缺失噬菌体获得的spacer片段最多，免疫抗性最强。弱Acr噬菌体（F4）次之，强Acr噬菌体（F1）最少（图2-CDE）。在Acr缺失噬菌体侵染后，有CRISPR的细菌比没有CRISPR的细菌具有更高的适应度。而被有Acr噬菌体侵染后，和不被噬菌体侵染时，有没有CRISPR的细菌的适应度没有差异（图2-F）。Acr缺失噬菌体侵染后细菌获得了大量CRISPR抗性，而有Acr噬菌体侵染后细菌主要获得了表面修饰（SM）抗性（图2-G）。

图2 Acr基因在噬菌体侵染敏感型WT宿主时对噬菌体种群动态和宿主CRISPR抗性进化的影响

Acr缺失噬菌体从有Acr噬菌体的存在中受益

在侵染无CRISPR细菌时，Acr缺失噬菌体单独侵染和与强Acr噬菌体（F1）或者弱Acr噬菌体（F4）噬菌体共同侵染时，Acr缺失噬菌体的丰度没有显著差异（图3-A）。强Acr噬菌体（F1）和弱Acr噬菌体（F4）的相对适应度也没有发生变化（图3-B）。而在侵染有CRISPR的细菌时，Acr缺失噬菌体与强Acr噬菌体（F1）共同侵染后丰度最高，与弱Acr噬菌体（F4）共同侵染后的丰度次之，单独侵染后丰度下降（图3-C）。弱Acr噬菌体（F4）噬菌体的适应度上升最高，强Acr噬菌体（F1）上升较小（图3-D）。

图3 Acr缺失噬菌体从有Acr噬菌体的存在中受益

强Acr噬菌体降低了细菌对Acr缺失噬菌体的CRISPR抗性进化

单独侵染时，细菌只对Acr缺失噬菌体产生了CRISPR抗性（图4-A）；Acr缺失噬菌体与弱Acr噬菌体（F4）共同侵染时，细菌产生了较高的CRISPR抗性 ；与强Acr噬菌体（F1）共同侵染时，细菌产生的CRISPR抗性较低（图4-B）。与SM抗性细菌相比，被Acr缺失噬菌体单独侵染没有降低CRISPR抗性细菌的适应度；被Acr缺失噬菌体和弱Acr噬菌体（F4）共同侵染时，细菌具有较低的相对适应度；被Acr缺失噬菌体和强Acr噬菌体（F1）共同侵染时，细菌的相对适应度最低（图4-C）。

图4 强Acr噬菌体降低了细菌对Acr缺失噬菌体的CRISPR抗性进化

强Acr噬菌体的帮助Acr缺失噬菌体侵染CRISPR抗性宿主

低浓度的Acr缺失噬菌体与强Acr噬菌体（F1）共同侵染具有CRISPR的宿主时，Acr缺失噬菌体依然不能成功侵染；但浓度高时，Acr缺失噬菌体就可以成功侵染。但是Acr缺失噬菌体与弱Acr噬菌体（F4）共同侵染时，浓度再高也无法侵染（图5-ABCD）。在强Acr噬菌体（F1）存在下24小时后扩繁的Acr缺失噬菌体仍然不能侵染具有CRISPR免疫的细菌，而在弱Acr噬菌体（F4）存在下进化出能克服CRISPR免疫的噬菌体（图5-EF）。

图5 强Acr噬菌体帮助Acr缺失噬菌体侵染CRISPR抗性宿主

亮点总结

1、Acr噬菌体在单独侵染和与Acr缺失噬菌体共同侵染细菌时，都能限制细菌的CRISPR抗性进化；

2、Acr噬菌体为群落中的Acr缺失噬菌体提供了帮助；

3、强Acr噬菌体帮助Acr缺失噬菌体借助CRISPR免疫已受其抑制的细菌增殖；

4、弱Acr噬菌体在与Acr缺失噬菌体的竞争中具有更大优势

论文信息

原名：Exploitation of the Cooperative Behaviors of Anti-CRISPR Phages

译名：Anti-CRISPR噬菌体合作过程中的剥削行为

期刊：Cell Host & Microbe（2020）

IF：15.753

发表时间：2020.02

通讯作者：Edze R. Westra

通讯作者单位：英国埃克塞特大学