【LorMe周刊】丝状噬菌体：微生物共享“经济”的大师
导读
噬菌体是感染细菌的一类病毒。尽管大多数烈性噬菌体会裂解杀死宿主细菌，但丝状噬菌体却与宿主细菌之间存在合作关系。丝状噬菌体不仅给细菌增加的负担较小，还通过多种方式抵消了它带给细菌的负担，比如帮助宿主菌形成更好的生物膜、为宿主菌提供毒素和其他增加毒力的因子。在这篇文章中，作者重点介绍了丝状噬菌体的生命周期，并与烈性噬菌体进行了对比。
噬菌体的分类方式多种多样，根据遗传物质的种类可以分为单链DNA噬菌体、双链DNA噬菌体、单链RNA噬菌体和双链RNA噬菌体。根据形态学可以分为有尾噬菌体、丝状噬菌体、球状噬菌体等；其中丝状噬菌体如图1所示，外表形似意大利面条。
图1 噬菌体的分类和丝状噬菌体的结构
丝状噬菌体虽然不会像大多数噬菌体那样在短时间内快速裂解宿主细菌并释放子代噬菌体，但是它们也会通过特定的生命周期产生子代噬菌体并将它们释放到环境中。丝状噬菌体的生命周期与烈性噬菌体不同，这里分别从感染、基因组复制和脱离宿主细胞这3个阶段进行阐述。
1 感染
几乎所有丝状噬菌体都可以感染革兰氏阴性宿主，因此它们必须穿过宿主的两层细胞膜屏障。尽管对于大多数丝状噬菌体而言，细胞表面的受体是未知的，但目前有研究表明某种菌毛可以作为丝状噬菌体的受体。通过pIII蛋白调节，丝状噬菌体能够附着在宿主细胞的菌毛上（图2A）。据推测，丝状噬菌体与菌毛的结合诱导宿主细胞缩回菌毛，把丝状噬菌体带到了宿主细胞表面。当菌毛缩回时，含有病毒颗粒的pIII末端被带入周质空间，与宿主周质中的次级受体结合。相关研究表明，次级受体是内膜锚定蛋白TolA，该蛋白延伸到周质中（图2A）。TolA是TolQRA复合体的组成部分，TolQRA复合体可在细胞分裂过程中控制膜的完整性和内陷性。
2 基因组复制
如图2B所示，丝状噬菌体基因组以单链环状DNA（感染形式）（IF）的形式被注射到宿主细胞的细胞质中。位于gIV和gII基因之间的基因间序列（IG）很大程度上控制了噬菌体基因组的复制。丝状噬菌体基因组复制完全取决于核心细菌DNA的复制机制。丝状噬菌体进入宿主细胞后，宿主RNA聚合酶σ70全酶与模仿细菌-35和-10启动子序列的负链起点结合，其亲和力远高于典型的细菌启动子。RNA聚合酶开始在单链DNA模板上合成RNA，但在基因组的某一部分会停滞和回溯，并最终留下一个短的RNA引物。宿主DNA聚合酶III全酶会延伸该引物来产生基因组的负链和噬菌体基因组的双链复制形式（RF）。基因组的其他区域也可以合成RF，但效率大大降低。宿主旋转酶进一步处理RF，形成超螺旋RF。RF有三个关键的初始功能：首先，它是编码噬菌体蛋白（包括pII和pX）的初始mRNA模板，这些噬菌体蛋白是扩大噬菌体基因组所需的。其次，它是RF复制的模板。第三，它是IF复制的模板。pII蛋白是一条链转移酶，它会在复制的正链起点与新合成的超螺旋RF结合，切割正链并连接至5’末端。自由的3’端可以用作宿主DNA聚合酶全酶的引物，以合成一条新的正链，并随着其演变而置换原始正链。
3 噬菌体脱离宿主
与有尾噬菌体相反，丝状噬菌体的物理尺寸可能会阻止它们在细胞内的组装。丝状噬菌体在细菌的细胞膜上组装，而成熟的噬菌体被细菌主动分泌，不会裂解细菌。新复制的单链DNA IF基因组被细胞质中的DNA结合蛋白pV包被，这有助于稳定并将靶向DNA-蛋白复合物的“包装信号”（图2B和C）暴露于宿主细胞的内膜（图2C）。作为（最初）信号锚定的蛋白质，pI和pXI都需要细菌Sec机制才能插入膜中。根据预测，pI的细胞质区域将充当ATP，为噬菌体的组装和转运提供动力。在没有其他噬菌体蛋白或DNA的情况下，pI和pXI与外膜蛋白pIV形成复合物。与其他分泌素一样，pIV仍位于外膜中。虽然某些噬菌体能够编码其自身的分泌素（pIV），但大多数却没有这种能力（图3）。尽管如此，丝状噬菌体会共享宿主细胞分泌物，以供自身从细菌细胞中传播，因此通过分泌蛋白离开宿主细胞似乎是丝状噬菌体的共同特征。
图2 丝状噬菌体生命周期
图3 丝状噬菌体基因组多样性
在各种丝状噬菌体谱系中，只有pI蛋白是高度保守且完全可识别的。pI蛋白在其N端具有一个保守的Zot域（Pfam PF05707 Zot域）（图3）。该结构域以pI蛋白的同源物命名。这种同源物在弧菌CTXφ噬菌体中被称为Zonula Occludens Toxin，对弧菌CTXφ噬菌体的装配和释放至关重要。对于丝状噬菌体和原噬菌体来说，pI N端Zot结构域 （Pfam PF05707）是唯一的，因此该序列可用于评估基因组和元基因组序列数据中未记录的丝状噬菌体。
UniProtKB（2018_09）数据库中存在约2,300个具有PF05707域的蛋白质，其中几乎所有蛋白质（> 99%）都与原核生物的基因组相关，并且可能来自丝状噬菌体。这种现象广泛存在于各种原核生物中，包括革兰氏阴性和革兰氏阳性细菌的各种门以及古细菌。因此，在原核生物基因组库中可能存在成千上万个未鉴定的丝状原噬菌体（图4）。
图4 通过原核生物（宿主）染色体中的特定基因发现Ff噬菌体（噬菌体M13，fd和f1的总称）
丝状噬菌体通过与宿主细胞的菌毛受体结合从而吸附在宿主细胞上，随后通过细胞膜上的次级受体将自身的DNA以感染形式注射到宿主细胞中。进入宿主细胞后，丝状噬菌体将自身的DNA从感染形式转换为复制形式并利用宿主DNA的复制机制完成自身DNA的复制。最后成熟的丝状噬菌体随着细胞分泌物一起被释放到环境中，并开始新的循环。
丝状噬菌体在自然界中广泛存在。与烈性噬菌体相比，丝状噬菌体不会快速裂解宿主细胞，它们更像是借用宿主的物质来完成自身的繁殖并给予宿主一些补偿。鉴于丝状噬菌体对细胞生物学基本研究（例如膜生物发生，蛋白质分泌，DNA重组和复制）和生物技术发展的影响，以及它们在促进细菌毒力和塑造细菌群落中的关键作用，丝状噬菌体的发现和研究将是未来噬菌体研究的一个重要方向。
论文信息
原名：Filamentous phages: masters of a microbial sharing economy