噬菌體之間的信息傳遞和群體決策

最近，以色列威茲曼科學院的研究者們發現，噬菌體之間會通過一種小分子多肽相互溝通。

撰文 嚴冰

審校 苗潤豐

噬菌體是一種結構簡單的以細菌為宿主的病毒。溶原性噬菌體（lysogenicphage，亦稱溫和噬菌體），有兩種生命周期——當噬菌體將基因組注射入細胞之後，它可以選擇：（i）進入裂解性周期，大量組裝新的病毒顆粒，最終裂解宿主細胞，釋放新的病毒顆粒，（ii）進入溶原性周期，將自己的基因組整合進細菌基因組，只表達有限的幾個病毒基因，大部分時間保持沉默，不對宿主細胞造成損傷。在特定信號的刺激下，溶原性周期的噬菌體可被激活，進入裂解性周期。

為解釋噬菌體是如何在上述兩種周期中進行選擇的，研究者們一直致力於尋找相關的細胞內信號通路和基因迴路，但都沒有得出一個很好的模型。最近，以色列威茲曼科學院的研究者們發現，噬菌體之間會通過一種小分子多肽相互溝通。

實驗中，研究者用四種不同的噬菌體感染細菌Bacillussubtilis，三小時後篩查培養基中是否有抑制噬菌體感染的分子存在。他們發現了一個小分子多肽arbitrium，它由其中一種噬菌體 phi3T 合成並分泌到環境中，對細菌有保護作用（但僅針對噬菌體 phi3T，其他幾種噬菌體不受影響）。1

為進一步研究具體機制，研究者通過對噬菌體 phi3T 基因組進行測序，發現了一種特殊的病毒編碼蛋白，並將其命名為 AimP 蛋白。這種蛋白由43個氨基酸組成，與參與細菌群體感應（quorumsensing）和多肽介導信號通路的蛋白質十分相似。噬菌體 phi3T 入侵細胞後，表達 AimP，這種蛋白經過酶切產生的小分子多肽 arbitrium（僅含6個氨基酸）會被分泌到細胞外，並被周圍細菌通過細胞膜上的多肽通透酶轉運蛋白（OPP）轉運到胞內。Arbitrium 被轉運到細菌內後，可結合胞質內的噬菌體蛋白 AimR 並且抑制其活性。AimR 是一種轉錄調節因子，正常情況下可結合在噬菌體基因組的特定位置，激活 aimX 基因的轉錄，從而促使噬菌體進入裂解性周期（具體機制未知）。因此，arbitrium 通過降低 aimX 的表達，抑制噬菌體進入裂解性周期，從而提高了噬菌體 phi3T 進入溶原性周期的可能性，保護宿主細胞不被裂解。1

圖1. 噬菌體phi3T編碼多肽arbitrium對噬菌體生命周期的影響。

在感染後期，arbitrium 在環境中累積到很高濃度，噬菌體溶原化頻率非常高，對細菌細胞裂解有很強的抑制效果。1這一機制對噬菌體十分有利，因為此時環境中細菌的密度大幅下降，進入裂解性周期只會進一步降低宿主細胞的數目，而進入溶原性周期則更有利於它的繁殖。

另外，arbitrium 只對編碼產生它的噬菌體種類有影響，不同種的噬菌體會編碼序列不同的多肽，通過相似的機制進行「種內」溝通。這就像每種噬菌體都有自己的語言，只在同類之間交換信息，為感染行為做出決定。1該文章的作者進一步猜想，感染高等動物的病毒可能會進化出更加複雜的信息傳遞機制，使不同種類的病毒之間也可以進行溝通。例如，感染人類的 HIV 和皰疹病毒都可造成急性感染和慢性感染，它們之間可能會通過信息傳遞影響感染行為。作者還指出，如果有一種可以促使病毒進入溶原性周期的分子存在，那麼利用它讓病毒完全進入潛伏期將會是一種很好的治療手段。2

【參考文獻】

1. Virology: Phages make a group decision

http://www.nature.com/nature/journal/vaop/ncurrent/full/nature21118.html

2. Do you speak virus?

http://www.nature.com/news/do-you-speak-virus-phages-caught-sending-chemical-messages-1.21313

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【論文信息】

【題目】Communication between virusesguides lysis–lysogeny decisions

【作者】Erez, Z. et al

【期刊】Nature

【日期】Published online 18 January 2017

【DOI】10.1038/nature21049

【摘要】Temperate viruses can becomedormant in their host cells, a process called lysogeny. In every infection,such viruses decide between the lytic and the lysogenic cycles, that is,whether to replicate and lyse their host or to lysogenize and keep the hostviable. Here we show that viruses (phages) of the SPbeta group use asmall-molecule communication system to coordinate lysis–lysogeny decisions.During infection of its Bacillus host cell, the phage produces a sixamino-acids-long communication peptide that is released into the medium. Insubsequent infections, progeny phages measure the concentration of this peptideand lysogenize if the concentration is sufficiently high. We found thatdifferent phages encode different versions of the communication peptide,demonstrating a phage-specific peptide communication code for lysogenydecisions. We term this communication system the 『arbitrium』 system, andfurther show that it is encoded by three phage genes: aimP, which produces thepeptide; aimR, the intracellular peptide receptor; and aimX, a negative regulatorof lysogeny. The arbitrium system enables a descendant phage to 『communicate』with its predecessors, that is, to estimate the amount of recent previousinfections and hence decide whether to employ the lytic or lysogenic cycle.

http://www.nature.com/nature/journal/vaop/ncurrent/full/nature21049.html#auth-1