【LorMe周刊】从经典到创新—当代噬菌体生物学的发展
作者：李婷婷，南京农业大学硕士在读。主要研究根际噬菌体-青枯菌共进化动态。
噬菌体的发现距今已经有百年的历史，它一直是理解分子生物学基本原理的关键模型。过去十年，被誉为噬菌体的“黄金时代”，包括噬菌体基因组学、显微镜技术的发展以及CRISPR-Cas抗噬菌体防御系统的发现等，将噬菌体研究推向复兴。这篇文章着眼于最近发现的噬菌体生物学的复杂性，从四个角度综述当今噬菌体生物学发展。此外，文章还讨论了全球范围内的噬菌体生物多样性研究的进展。
噬菌体研究中的重大突破
自1915年噬菌体发现以来至今已有百年历史，经历了最初的低谷之后，噬菌体生物学研究在最近十年迎来黄金时代。基因组和宏基因组学的发展促进噬菌体研究的重大突破，环境样本的测序结果揭示了噬菌体的数量和多样性远超我们的想象（图1），如：2015年的一项研究检测了来自26个海洋表面站点的43个富含噬菌体的宏基因组样本，结果显示在5,476个供试的噬菌体种群基因组中只有39个是已知的。除了海洋环境中的噬菌体群组研究，人类肠道中的噬菌体基因组研究也是当今热点，现有研究发现噬菌体在人类肠道微生物组中非常丰富，且被认为参与塑造健康的肠道微生物组，并在致病条件中发挥重要作用。肠道噬菌体经过多样化分析和深度测序揭示了一组核心噬菌体，这组噬菌体在健康人群中很常见，可能与人体健康相关。随着基因组和宏基因组研究的指数级增长，未来全球范围内的噬菌体的生态学动态、全球丰度和多样性等研究有望取得更多突破。
噬菌体溶源机制的新发现
噬菌体并不总是裂解宿主，温和噬菌体会将自身的基因整合到宿主基因组中或成为宿主细胞内的附件，随着宿主的增殖而复制。温和噬菌体在给宿主提供新基因片段的同时，有时也会破坏宿主的抗性系统，吸引其他噬菌体裂解宿主种群。裂解和溶源的状态转换有特定的分子开关（lambda开关）（图2），这其中涉及复杂的反应网络，如：特定的转录的激活和抑制因子。现有研究发现在侵染过程中，噬菌体会释放一种称为arbitrium的物质进入体系。在连续感染中，后代噬菌体检测该肽的浓度，如果浓度足够高，则溶原化。在裂解循环中也有特定的阻遏物和细胞蛋白酶防止溶源化。
噬菌体反细菌抗性系统的新策略
针对噬菌体的侵染，细菌能够通过表面修饰和受体突变防止噬菌体吸附、限制酶和CRISPR-Cas系统识别和切割噬菌体核酸，并流产侵染系统控制细胞死亡或停滞防止噬菌体的复制发生。而噬菌体和其他病毒一样，有着一套针对宿主进化的反抗性系统。噬菌体-细菌之间的军备竞赛广为人知，但在模式噬菌体之外的反抗性系统仍然有着巨大的研究空间。过去研究中，噬菌体的侵染会针对宿主细菌的抗性系统做出改变，但现在研究发现噬菌体的反抗性系统不仅仅依赖这种被动的进化。如：噬菌体尾纤维上负责结合细胞表面的基因，其可变重复进行重组会产生尾尖结合区的新多肽序列蛋白质，从而产生高度多样性的潜在尾纤维，可以达到1014种不同的变化（图3）。这些变化可以在识别细菌宿主时有效应对宿主的表面修饰变化。
图3 噬菌体突破细菌防御体系的机制示意图
分辨率革命后的噬菌体生物学新发现
尽管在近几十年来噬菌体在宿主细胞内复制的主要步骤已经有了详细的研究，但最近对非模型噬菌体研究仍然揭示了令人惊讶的噬菌体细胞内复制新发现。如噬菌体201f2-1感染绿毛假单胞菌，这个噬菌体编码微管蛋白的结构同源物和超分辨率显微镜检查显示，这种微管蛋白产生的细胞骨架丝，在裂解感染期间可以定位细菌细胞中噬菌体DNA的复制中心。在随后的一项研究中，发现微管蛋白定位的噬菌体复制中心是包裹在由噬菌体编码的核状外壳中蛋白Gp105。冷冻电子显微镜 (cryo-EM)显示噬菌体衣壳组装在这个壳的外面，然后在衣壳上接收并包装噬菌体基因组（图4A）。尽管以前已知噬菌体在细胞中不同的位置复制，但参与这种类似细胞核的结构是一个全新的概念。冷冻电镜和超分辨率荧光显微镜的进步促进了上述发现。冷冻电镜研究也体现T4尾巴在吸附到宿主的过程中逐步发生的构象变化（图4C）。
图4 噬菌体在高分辨率显微镜下的结构示意图
文章从噬菌体拓展的基因研究序列空间、噬菌体自身裂解溶源分子回路的复杂性、军备竞赛的抗性共进化和高分辨率显微镜技术下的生物学发现四个方面阐释当今噬菌体生物学研究进展。在过往的研究中噬菌体通常作为研究的配角，是研究其他生物学机制的核酸钥匙，但其本身的生物学复杂性被极大的低估。在噬菌体基因组空间研究中，如：合成碳循环的生物学研究也是新的研究热点。而噬菌体的反抗性系统也成为新的分子研究钥匙，是一种很有前景的基因组编辑调控的分子工具。在噬菌体生物学研究中，对于噬菌体的生态学作用，对人类健康的潜在价值都是的新的研究方向。
论文信息
原名：Contemporary Phage Biology:From Classic Models to New Insights
译名：从经典到创新—当代噬菌体生物学的发展
期刊：Cell
发表时间：2018.03
通讯作者：Rotem Sorek
通讯作者单位：魏兹曼科学研究所