【LorMe周刊】没那么简单，就能高效感染

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！本期周刊为您介绍驱动噬菌体感染宿主效率的多种机制。原文于2018年发表在 The ISME Journal上。

导读

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“凡人为一事，以专而精，以纷为散”，在微生物领域也认为“专一”噬菌体通常感染效率更高，即能在最短的时间内裂解最多的宿主，而“通才”（宿主范围广）噬菌体往往会因为获得广泛的宿主侵染能力而牺牲掉感染效率，即低效感染。感染效率是研究噬菌体-细菌互作的基本问题，解析导致感染效率差异的驱动因素有助于我们了解自然界中噬菌体与宿主的互作动态。这篇文章借助基因组学、转录组学和蛋白质组学手段，分别从噬菌体和宿主角度为我们揭示造成不同感染效率的机制。

噬菌体-宿主感染系统

该研究是在之前研究的基础上利用组学技术进一步探究感染效率差异的原因。构建的噬菌体-细菌感染系统包括（图1）：（1）通才噬菌体phi38:1与其原始分离宿主菌host38；（2）通才phi38:1与宿主菌host18；（3）专一噬菌体phi18:3与其原始分离宿主菌host18。噬菌体phi38:1和phi18:1不共享任何同源基因，宿主菌host18和host38在遗传上几近相同（即100%相同的16S rRNA），而每种噬菌体对这两种宿主的感染效率大不相同。

图1 C. baltica-phage模型系统

不同噬菌体的感染效率与噬菌体的基因组和转录组分析

噬菌体感染一步生长曲线和实时噬菌体基因动态表达结果表明，虽然两种噬菌体的所有基因在感染后的60 min内都得到了表达（图2c和d），但是phi18:3（图2a）感染host18的潜伏期短（LP：75 min）、释放的子代量大（BS：53±4），而phi38:1的潜伏期更长、释放子代量也更少（图2b）。所以对于宿主菌host18，噬菌体phi18:3的感染效率高于phi38:1。

图2 phi18:3和ph38:1感染host18的感染动态以及基因表达

噬菌体的蛋白组分析

为了验证phi18:3感染效率高是否是因为更早地利用了宿主的翻译过程，这里检测了噬菌体基因翻译和蛋白表达的动态变化。结果发现大部分（88%）phi18:3早期转录的基因都翻译得到蛋白质，而且中期和后期基因的转录水平和蛋白丰度也是相当的，且分级明显（图3a-c）。相反，86%的phi38:1蛋白的丰度峰值的出现都晚于晚期转录组，而且大部分在60 min后基本稳定（图3d-f）。而当phi38:1感染原始分离宿主host38时，噬菌体的蛋白的翻译并没有被延迟（图3g-i）。这些结果表明，只有在高效感染过程中，噬菌体基因的转录和翻译是同步的，而在低效感染中，这个过程则不同步。

图3 phi:18:3和phi38:1的实时转录-翻译动态变化

宿主转录组和蛋白组分析

为了研究宿主对不同侵染效率的噬菌体的响应，这里检测了在phi18:3与phi38:1感染host18时，host18的转录组和蛋白组。结果发现phi18:3感染host18过程中能抑制其基因转录，而phi38:1则不能（图4a）。相应的，phi18:3感染时host18的蛋白表达量也显著降低（图4b），而phi38:1感染时蛋白的表达量却增加（图4c）。这表明不同感染效率的感染会影响宿主蛋白表达。

图4 host18在被phi18:3和phi38:1感染期间的全转录组和蛋白组

为了探究不同感染效率的噬菌体如何影响宿主特定的功能，这里首先检测了phi18:3和phi38:1的感染对host18 R/M（限制-修饰）基因的影响。结果发现phi18:3的感染引起host18的R/M基因过表达，而phi38:1却没有。接着检测了宿主基因翻译情况，发现从早期开始，受phi18:3感染的host18比受phi38:1感染的host18有更高的差异基因表达，说明phi18:3可以比phi38:1更好的激活宿主的翻译机制。结合前面的结果，宿主的翻译激活可能更有助于噬菌体转录翻译的同步，从而实现高效感染。

图5 host18限制/修饰（R/M）的表达以及响应phi18:3和phi38:1的翻译基因

最后，因为phi38:1在感染host18时虽然大多数蛋白（86%）表达的都很晚，但是仍有14%的蛋白是在早期表达的（图3d-f）。这可能是因为phi38:1在早期遇到了host18的蛋白酶使噬菌体的转录翻译不能同步。所以这里检测了高度保守的蛋白酶ClpP（一种可以靶向多种噬菌体的蛋白酶），结果发现对于phi18:3的侵染，该基因表达不足；但对于phi38:1的感染，该基因的表达则没有差异（图6a）。在phi18:3整个感染过程中ClpP蛋白丰度的都显著降低（图6b），而phi38:1的侵染却没有引起这种变化（图6c）。这些结果表明只有phi18:3能让ClpP失活，而对于phi38:1则侵染可能会导致ClpP的积累从而导致phi38:1蛋白的降解。

图6 host18蛋白酶ClpP感染phi18:3和phi38:1期间的基因表达和蛋白丰度

总结

将噬菌体纳入生态系统模型至关重要，这最终将有助于推进基于噬菌体的生物技术和治疗应用。然而，最根本的是需要了解驱动噬菌体-宿主相互作用和感染效率的策略。这里揭示了多种机制可改变几乎相同宿主之间的噬菌体感染效率。这些有助于更好地了解感染效率，进而有助于“编辑”噬菌体，以使其更好的服务与生态系统和人类健康有关的微生物群落。

论文信息

原名：Multiple mechanisms drive phage infection efficiency in nearly identical hosts

译名：多重机制驱动噬菌体感染几乎相同宿主的感染效率

期刊：The ISME Journal（2018）

发表时间：2018.06.12

通讯作者：Matthew B. Sullivan

通讯作者单位：俄亥俄州立大学