盘根错节的微生物“社会”——噬菌体及其细菌宿主
导读
噬菌体是一类侵染细菌的病毒，它们使用宿主的细胞机制进行复制。先前的观点认为，噬菌体侵染是对单个细胞的寄生作用；但是，越来越多的证据表明噬菌体之间存在着合作。除此之外，噬菌体还可以调节其细菌宿主种群的社会生物学行为。这篇综述讨论了关于噬菌体种群互作的最新进展，包括选择性压力如何影响细菌和噬菌体种群之间的相互作用结果。
噬菌体的合作行为
合作意味着在享受“人口红利”的同时，个体也要付出一定的代价。合作中产生的公共产品是一种“成本高昂但可为部分或所有个体带来好处”的资源。由于非合作者比合作者具有潜在的适应性优势，如果任由群体中的“骗子”发展，可能导致合作行为逐渐消失。在单个细菌细胞内复制的噬菌体必须进行合作并共享由衣壳蛋白、酶和宿主产物组成的资源库。在它们自身复制的情况下，可以将宿主细胞产生的病毒体视为公共物品，从而使噬菌体具有“欺骗”的动机（图1）。另外，噬菌体已经进化出相应的机制，可以利用细菌群体感应进行复制或者调整细菌中的“骗子”群体。
图1 激励噬菌体“行骗”的公共物品资源库
噬菌体利用公共物品
M13可以从其宿主中连续释放病毒体并且不会裂解宿主。M13迷你噬菌体包装了缺少大部分或全部开放阅读框的基因组，仅保留了像复制起点和包装信号这样的结构性遗传元件。在全部长度噬菌体缺失的情况下，M13迷你噬菌体无法复制。这种适应性缺陷源于M13迷你噬菌体无法产生衣壳蛋白或噬菌体编码的酶等基本公共物品。为了复制，M13迷你噬菌体必须“行骗”，并在全长噬菌体共同感染同一细胞时消耗由少部分群体生产的衣壳蛋白和其他公共物品。Pf4是一种感染铜绿假单胞菌PAO1的病毒（图2）。Pf4迷你噬菌体基因组大小约为2.5 kbp，而全长Pf4基因组的大小为12,439 bp。Pf4迷你噬菌体缺少大多数开放阅读框，它们为了进行复制必须“行骗”。
噬菌体种群的利他行为
在细菌-噬菌体共进化的军备竞赛中，细菌已经进化出多种噬菌体防御机制。CRISPR-Cas是一种细菌适应性免疫系统，存在于大约一半的已知细菌基因组中。CRISPR-Cas系统中记忆了曾经感染过该宿主的噬菌体，当具有相同序列的噬菌体再次感染宿主时可以提供免疫力。一些噬菌体试图通过编码抗CRISPR（Acr）蛋白来逃避这种免疫系统。然而，单个噬菌体的感染通常不足以抑制CRISPR-Cas免疫。通常只有在多次失败的感染后，才能向受体细菌细胞传递足量的Acr蛋白，从而抑制CRISPR-Cas系统。这些失败的感染可以解释为一种利他主义：感染失败的噬菌体在抑制CRISPR-Cas系统时要付出一定的代价，但亲缘较近的噬菌体可以因此受益。
噬菌体可调节细菌种群
选择性压力的增加使细菌的“骗子”群体得以扩大。当合作者种群在数量上占主导时，具有噬菌体抗性的个体更容易出现在其中，并且噬菌体抗性基因通过合作者种群进行传播。如果噬菌体抗性突变所带来的好处超过了应对选择性压力带来的好处，那么具有噬菌体抗性的合作者会抑制“骗子”种群，这是两个有益突变之间的竞争（图3A）。溶原性噬菌体也可以增加合作者群体。无QS的铜绿假单胞菌个体比具有完整QS系统的野生型细菌更容易受到溶原性噬菌体感染。溶原性噬菌体优先吸附并感染无QS的个体。但是，在限铁条件下，噬菌体的捕食会增加细菌中 “骗子”群体的比例。噬菌体的捕食不足以抑制细菌的 “骗子”种群，并且由于缺乏铁载体，“骗子”种群的入侵使种群数量下降（图3B）。可转座噬菌体使噬菌体的互作更加复杂。在铜绿假单胞菌的流行株（LES）中，mu型转座噬菌体LESΦ4随机整合到染色体中，从而增加细菌的适应性和多样性。在限铁条件下，LESΦ4会破坏与铁载体生成和群体感应有关的基因，“骗子”群体得以扩展。但是，LESΦ4感染并未引起种群下降。反而出现了另一种策略：除了不产生铁载体的“骗子”之外，还出现了过量生产铁载体的种群，从而稳定了铁载体的产量（图3C）。
噬菌体对细菌和群体信号的响应
转导是微生物水平基因转移的主要机制，一些噬菌体已获得与细菌进行互动的基因。一些弧菌噬菌体可以编码功能性QS受体基因。此外，细菌QS自诱导剂可以诱导土壤和地下水的细菌烈性噬菌体复制。弧菌噬菌体QS受体可通过响应细菌自诱导物来调整裂解或溶原性生命周期。当噬菌体检测到一定数量的细菌自诱导剂时，就会激活裂解复制。在某些情况下，降解QS自诱导物的噬菌体编码酶可能会延迟激活QS调控基因，从而产生临时的“骗子”群体。许多噬菌体编码自身功能齐全且独立的QS样系统，称为“裁决”系统。像QS一样，“裁决”信号转导也使用独特的肽类自诱导剂和同源受体。“裁决”系统可以感应给定种群中有多少细菌被亲缘噬菌体感染，以进行裂解或者溶原性生命周期。与细菌QS一样，这些决定是由肽自动诱导剂的浓度调节的。随着肽的积累，烈性复制受到抑制，溶原性生命周期得到促进。与QS一样，“裁决”信号可能很容易被噬菌体和细菌利用。在某些噬菌体中，“裁决”受体基因可能会失活，从而产生一个“骗子”亚群。但是，忽略肽信号的“裁决”系统“骗子”可能在进入裂解生命周期后无法退出，导致宿主细菌种群的崩溃。
与细菌一样，噬菌体种群间也存在着合作。有些噬菌体会为种群贡献出公共物品，有些噬菌体会消耗这些公共物品；失败的侵染为成功的侵染不断积累物质基础；一种可以侵染某宿主的噬菌体帮助另一种不能侵染的噬菌体侵染该宿主，这些都是合作的具体体现。同时，合作者和“欺骗者”的比重也会随着环境的变化而变化，比例的失衡会对噬菌体和宿主细菌造成巨大的影响。最后，噬菌体之间也存在着独特的交流系统，可以影响噬菌体的生命周期类型。
论文信息
原名：More than Simple Parasites: the Sociobiology of Bacteriophagesand Their Bacterial Hosts
译名：不仅是简单的寄生虫：噬菌体及其细菌宿主的社会生物学
期刊：mBio
IF2019：6.747
发表时间：2020.03
通讯作者：Patrick R. Secor
通讯作者单位：蒙大拿大学