噬菌体与细菌基于群体感应的双向互作.docx

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1、噬菌体与细菌基于群体感应的双向互作摘要在长期的共同进化过程中，噬菌体与细菌宿主之间产生了第杂的相互作用关系。群体感应(quorumsensing,QS)机制在噬菌体和细菌的双向相互作用中扮演了重要角色。综述细菌宿主对群体感应机制的利用，群体感应对生物被膜调节、噬菌体吸附过程以及调控CRISPR-Cas系统等方面所起到的效果，从噬菌体对群体感应机制的介入，总结群体感应机制在噬菌体溶原-裂解性调节以及噬菌体对群体感应机制的抑制，探讨对噬菌体QS机制的挖掘和解析，以期为群体感应机制在噬菌体治疗等领域的应用提供理论依据。关键词：群体感应：噬菌体-细菌宿主；溶原-裂解：微生物相互作用噬菌体是一种通过感染

2、易感细菌以开启自身熨制和生存生命周期的病毒，是地球上数量最多的生物实体，其数量约有10”个。噬菌体在肠道中也有广泛的分布，在许多方面都对人体起着至关市要的作用，如改变肠道菌群组成、加剧或减轻肠炎等疾病、通过肠脑轴影响大脑功能等。尽管噬菌体与其宿主之间为“捕食者”与“被捕食者”的关系，但二者之间的相互作用却不能用简单的拮抗模型来解释。例如，删除大肠杆菌BW25113中所有的前噬菌体会增加菌株对外源性应力的敏感性并降低其生长速率，该机制目前尚不清楚。这一现象说明噬菌体与细菌宿主间的相互作用机制是其杂的，在长期的共同进化过程中，噬菌体与细菌宿主最终形成了各异的相互作用机制。针对细菌基因组的相关研究表

3、明，近一半的测序细菌在其染色体内至少含有一个整合的噬菌体元件，这说明噬菌体-细菌宿主之间的相互作用在自然界中是广泛存在的。研究表明，群体密度很可能是影响噬菌体-宿主关系的重要因素，能够感知群体密度的群体感应机制也成为噬菌体与宿主间的重要通讯机制。群体感应(quorumsensing,QS)作为一种微生物间的通讯机制，可以动态调节微生物的各种新陈代谢和生理活动。在过去很长一段时间里，关于QS机制的研究主要着眼于细菌，而近年来随着宏基因组、宏蛋白组等检测技术的不断成熟，对噬菌体中QS机制的挖掘成为可能。Bruce等通过构建温和噬菌体产生和响应信号多肽的动力学数学模型并辅以实验验证，进一步说明QS信

4、号分子可以对噬菌体溶原裂解的过程进行调控，以帮助其更好地适应外部环境变化。目前，关于细菌-噬菌体中QS模块的研究，多数聚焦于讨论QS系统所调节的生物学功能及蛋白模块的分子机理。在调节生物功能方面，1.e6n-F61ix等探讨了各类信号分子的作用以及QS机制对噬菌体生命周期等生物功能的调控能力，其中着重介绍了QS对噬菌体与细菌宿主的动力学影响以及促进水平基因转移等作用。Wang等描述了细菌在抵御噬菌体侵染过程中QS系统起到的效果以及噬菌体与细菌基于QS机制的交流进程。在总结蛋白模块的分子机理方面，噬菌体内QS模块的分子结构和调控也有报道。然而，现有研究大多关注的是噬菌体内群体交流，从噬菌体到细菌

5、单一方向的表型调控以及噬菌体-细菌的其他相互作用，而对基于QS的噬菌体和细菌的双向相互作用的研究较少。本文从噬菌体与细菌宿主基于QS机制进行双向互作的角度总结该领域的相关研究，具体包括：噬菌体侵染时，细菌在生物被膜阻隔、噬菌体吸附位点调控、胞内抵御噬菌体三个阶段中应用QS系统躲避噬菌体侵染的机制：噬菌体利用介入细菌QS及调控Fi身QS的方式实现决策溶原-裂解生命进程及抑制细菌QS的策略；细菌-噬菌体QS领域在治疗应用以及QS模块挖掘解析的新趋势以及噬菌体-细菌之间的相互作用的新思路。1细菌利用QS躲避噬菌体侵染细菌可利用多种方式对噬菌体的侵染进行抵抗，其中QS机制是一种重要的调控手段，QS信号

6、传导更强的菌株可表现出更好的抗噬菌体能力。细菌宿主利用QS机制对细菌生物被膜、噬菌体吸附位点、CRISPR-Cas系统等方面进行调节，目的是在具有较高感染风险时提升自身的防御能力。1.1 QS调节细菌生物被膜生物被膜是一种细菌聚集体，通过细胞外聚合物(extrace1.1.u1.arpo1.ymericsubstance,EPS)附着于生物或非生物表面，能够抵御干燥、宿主防御系统和抗生素等外部环境压力。生物被膜对噬菌体拥有抵抗能力，在噬菌体侵染细菌的过程中，生物被膜的包裹可以掩蔽噬菌体吸附位点，从而避免细菌被对应噬菌体清除。因此，当噬菌体对宿主细菌开始侵染前，需要首先跨过生物被膜的阻碍。QS系

7、统可以协调生物行为以促进生物被膜形成，当群体密度超过临界密度时，将通过级联信号引起基因表达变化，进而改变细菌的行为。在生物被膜形成初期，QS将细菌从浮游状态转变为聚集状态，并使其持续分泌融类、蛋白质、脂类、细胞外DA等复杂混合物，从而形成生物被膜。QS系统会介导生物被膜对噬菌体的侵染产生反应。例如，当低浓度噬菌体对生物被膜内的细菌进行侵染时，细菌宿主中的QS分泌基因（如大肠杆菌中的1.UX系统及铜绿假单胞菌中的1.as系统）将会上调，相比于未暴露于噬菌体的对照组上调4.124.9倍，从而促进生物被膜的产生及成熟，并形成更加致密的结构，抵御噬菌体的侵染；当暴露于高浓度噬菌体时，该类基因又会被少量

8、抑制（图Do此外，1120样噬菌体也对其宿主鳗弧菌90-11-287有着类似的影响。Tan等构建了z1.切簿以及/1两个QS基因突变体，前者会表达高水平的QS转录因子VanT,使得细菌被锁定在高细胞密度的QS模式中，后者则不表达VanT,无法激活QS,细菌被锁定在低细胞密度的QS模式中。实验表明，当细菌处于低细胞密度状态时，4H20样噬菌体会促进细菌生物被膜的产生：当细菌处于高细胞密度状态时，QS会抑制前噬菌体的诱导，从而保护细菌宿主。综上可知，QS可通过调控生物被膜对噬菌体产生抵抗作用，这是细菌宿主躲避噬菌体的方式之一。nHnutw*rd，Rrcrftor图1细菌利用群体感应系统调控生物被膜

9、形成1.2 QS调控噬菌体吸附过程吸附是噬菌体开始侵染细菌宿主的第-阶段。在该阶段中，噬菌体利用黏附蛋白或受体结合蛋白(receptorbindingproteins,RBPS)作为吸附装置，辅以其他接受RBP结合信号的病毒粒了成分，附着于细菌宿主受体之上，进而完成吸附过程。QS可通过调节细菌表面受体对吸附过程进行调控。Ding等在研究1.-2介导的QS在抵抗T4噬菌体感染中的作用以及对大肠杆菌代谢的调控机制时发现，当I-2QS信号分;存在时，T4噬菌体吸附受体基因OW、口aa/f和Iraa。表达量分别降低了60%、65%和85乐噬菌斑数量减少了约26k这说明信号分GAI-2的加入减少了噬菌体

10、的吸附，从而增加了宿主时T4噬菌体的抗性。Hoy1.and-Kroghsbo等在大肠杆菌KT2中发现，细菌可响应N-酰基T-高丝氨酸内酯(N-acy1.homoserine1.ac-tone.H1.s)QS信号，通过SdiA受体传导使细胞表面1.amB蛋白水平降低40%,最终导致噬菌体吸附率降低约二分之一。此外，有研究发现在铜绿假单胞菌中，V型菌毛T4P可作为铜绿假单胞菌噬菌体vB_Pae_S1.和Vi1.PaeJR的重要受体，而I噪可以通过下调基因piM、PijB和PiiQ的表达，进而减少T4P介导的噬菌体吸附来保护铜绿假单胞菌免受噬菌体感染。尽管该进程并未与AH1.介导的QS进行直接的相互

11、作用，但叫咻作为一种细胞间信号分子或许拥有成为特定QS信号分子的潜力。一些研究也表明QS会对噬菌体的吸附产生正面效应。Xuan等在研窕Ias和rh1QS对噬菌体侵染铜绿假单胞菌(Pseudomnasaerugjnose)P?01过程中所起的作用时发现，1.asQS的存在有助于噬菌体的侵染。进一步研究发现，IaSQS上调了脂多糖(IiPoPo1.ySaCCharide,1.PS)合成的关键基因的的表达，而1.PS作为啤.菌体的吸附位点，其含量增多导致了噬菌体吸附率增加，从而增加了噬菌体的感染。有关QS正向调控噬菌体吸附过程的案例相对较少,但该现象表明QS对噬菌体吸附过程的调控作用是复杂的(图2)

12、,对该领域的研究有望促进利用QS提高噬菌体治疗中的噬菌体侵染效果。Srr*iM*MBrrUw4rVi”oonoQOtIjdEg*Yo-E-oooI:Iof2C-oo-E13A5M-211gW/图2细菌利用群体感应系统调控噬菌体吸附位点1.3 QS调控CRISPR-Cas系统CRISPR-Casc1.usteredregu1.ar1.yinterspacedshortpa1.indromicrepeats(CRISPR)-CR1.SPR-associatedSyS1.emS(Cas)系统最早于1987年在大肠杆菌中被发现，是一种由细菌进化来的避免噬菌体侵染的免疫机制。CRISPR-CaS系统由C

13、as蛋白和CRISPR阵列组成，Cas蛋白包含核酸酹以及解旋幅等功能蛋白结构域，CR1.SPR阵列则包含由外源DNA构成的间隔区及多个重复序列。CR1.SPK-Cas系统发挥作用需要经过适应、加工以及干扰三个阶段。当噬菌体开始侵染后，CRISPR-Cas系统进入适应阶段，此阶段中Cas蛋白与噬菌体DNA进行结合并获得噬菌体中的片段，进而将其插入CRISPR阵列中的两个重复序列之间，使细菌获得对该种噬菌体的适应性免疫能力。在加工阶段，CR1.SPR阵列将会被转录成一个单独的长转录本(Pre-CrRA),通过CaS蛋白等的进一步加工产生成熟的CrRNA,并进入最终的干扰阶段。CrRNA会与CaS蛋

14、白共同发挥作用剪切外源DNA,防止外源DN的侵入。QS系统对CRISPR-Cas系统有着重要的调控作用，该作用可使细菌宿主根据环境条件情况调控生理反应，从而降低适应成本。PatterSon等发现QS系统对沙雷菌中所有CRISPR-Cas系统都具有调节能力,AH1.sQS信号分子可以与SmaR转录调节因子相结合,阻止SmaR对CRISPR和cas基因的表达抑制。这一现象说明，在高细胞浓度情况下，CRISPR-CHS系统发挥作用会被QS系统增强，起到更强地抵御噬菌体的效果。在适应阶段，环境中的AH1.sQS信号分子能够增强CRISPRYas系统对新的间隔区的获取，从而增强细菌的适应性免疫记忆。H0

15、yIand-Kroghsbo等对铜绿假单胞菌中CRISPR-Cas系统的研究发现，CRISPRYas系统的强度随细胞密度的变化而变化。在高细胞密度下，QS信号分子将会诱导cas基因的表达，从而在感染风险相对较高的状态下激活CRISPR-CaS系统：而在低细胞密度下，感染风险相对较低，此时减少CRISPR-Cas系统的启动可以降低免疫成本。1.in等在铜绿假单胞菌PA14中发现QS调节因子CdpR可以通过QS机制抑制CRISPR-Cas的表达以及间隔序列的获取，是CRISPR-Cas系统的第一个内源性负调控因子。此外，有研究利用QS机制主动干预CRISPR-Cas系统，如使用QS干扰酶调节铜绿假

16、单胞菌CRTSPR-Cas系统，使CRISPR-Cas系统相关基因的表达减少，这使得利用QS机制操控噬菌体与宿主关系成为可能。当前多数的研究支持QS机制可以在高密度情况下促进CR1.SPR-Cas系统，这可以从较高细胞密度感染风险也较高的角度进行解释。然而，也有研究表明QS对CRISPRYaS系统有抑制作用。例如，在金黄色前萄球菌中，agrQS系统通过抑制SarA和ArCR两种正调控因子，进而抑制CRISPR-Cas系统的功能(图3)。图3细菌利用群体感应系统调控CRISPR-Cas系统QS机制对CR1.SPR-Cas系统的调控在不同菌种中不尽相同。CR1.SPR-Cas系统一方面会增加细菌宿主对噬菌体的免疫力，但同时也会增加适应性成本，平衡这一关系对于未来QS-噬菌体联合治疗有着重要的现实意义。1.4 细菌QS调控的其