【LorMe周刊】化为己用——噬菌体受体，拿来吧你！
作者：吴锶杰，南京农业大学硕士在读，主要研究利用噬菌体防治青枯病。
噬菌体虽然一般具有高度专一性，但它们却能极大程度地影响水平基因转移(HGT)。作者调查了自然界中常见的具有噬菌体抗性(R)和敏感性(S)细菌的群落中的噬菌体动态，并用枯草杆菌及其专性裂解噬菌体SPP1作为主要模型系统用以跟踪S和R细菌混合物中的噬菌体动力学，结果证明缺乏SPP1受体的R细胞在与S细胞共培养时被SPP1裂解，这种裂解是由附近感染细胞释放的噬菌体裂解酶触发的。作者还发现噬菌体有时也能侵染R细胞，并将这种现象称为敏感性获得(ASEN)，ASEN是由R细胞从相邻的S细胞短暂地获得噬菌体附着分子介导的，这种分子交换由膜小泡驱动。噬菌体附着分子交换现象的发生甚至可能在种间进行，这使噬菌体能够吸附到非宿主物种上，这可能是一种新的水平基因转移的途径。
噬菌体与S细胞共培养可侵染R细胞
为了研究复杂细菌群落中噬菌体感染的生物学，作者构建了含有SPP1溶素(gp51)和黄色荧光蛋白(YFP)的SPP1噬菌体，作为唯一的溶素拷贝(SPP1-lysin-yfp)，将其与缺乏SPP1受体基因yueB的具抗性的细胞(R1)共培养，发现有时R1细胞会受到噬菌体的侵染，R1细胞内的lysin-SPP1-YFP的表达就证明了这一点(图1A和B)。接着作者构建了产生SPP1主要尾蛋白GP17.1与GFP融合的枯草杆菌细胞，一旦SPP1感染，可以监测到融合蛋白从细胞质扩散模式到离散亮斑的定位变化(图1C)。混合感染SPP1的R1和S群落导致R1细胞形成亮斑，随后细胞溶解(图1D)。为了进一步证实该结果，作者用SPP1-delX110lacO64噬菌体进行了实验，用其感染S和R1的混合物，两者都携带染色体表达的lacl-cfp。在R1细胞(图1F和G)中明显形成了Lacl-CFP亮斑(图1E)，证明宿主细胞质中有噬菌体DNA存在。
为了探索是否还有其他噬菌体(如phi29)能侵染R细胞。作者构建了一株融合了phi29主要衣壳蛋白GP8的绿色荧光蛋白(GFP)的枯草芽孢菌。Phi29感染后，蛋白质定位由弥漫型变为亮斑状(图2A)。当phi29与S细胞混合时，phi29同样可以入侵对应的R细胞(R2)(图2B和C)，表明这种不寻常的入侵在枯草杆菌噬菌体中广泛存在。作者将这种混合培养中的R细胞被噬菌体侵染的现象称为“ASEN”，即获得敏感性。
图1 噬菌体侵染R1细胞的可视化过程
ASEM介导R细胞的转导
因为ASEN涉及到噬菌体的入侵，它可能会促进转导，从而影响水平基因转移。为了检验这种可能性，作者测试了R1细胞通过转导获得新遗传物质的能力。利用含有抗生素抗性基因的质粒(pBT163)和SPP1装配信号，用SPP1感染携带pBT163的枯草杆菌细胞，用获得的裂解物感染S和R1混合群体。只有当R1细胞与S细胞共培养时，才能检测到向R1细胞的转导(图3A)。同样地，将携带pBT163的R1细胞的裂解产物与缺乏质粒的S细胞混合，可使质粒转导到S细胞(图3B)。
噬菌体附着成分的交换介导ASEN
ASEN的一个潜在机制可能是从S细胞获得噬菌体受体。与这一前提一致的是，在S细胞中过表达SPP1受体YueB导致进入R1细胞的转导事件频率增加了4倍(图3C)。为了直观地展示受体蛋白在相邻细胞之间的转移，作者利用一株携带YueB-YFP的菌株进行了光漂白后荧光恢复(FRAP)。在几分钟内就能清楚地检测到受照射细胞的恢复(图4A1)，这表明附近的细胞提供了新的受体分子。当缺少近邻的细胞被照射时，没有观察到荧光恢复(图4A2)。
作者采用标记的刀豆蛋白A(ConA)，一种与gTA(枯草杆菌噬菌体粘附所需成分)特异结合的凝集素，以进一步研究表面分子交换。观察到ConA能结合野生型S细胞，但不能结合缺乏gTA合成的R2细胞(图4B)。通过FRAP分析发现ConA细胞表面定位是动态的，当S和R2细胞混合培养时，利用流式细胞仪和荧光显微镜检测到一小部分R2细胞表现出明显的ConA染色(图4C-E)，这与噬菌体附着分子可在相邻细胞之间交换的观点一致。
膜泡介导细胞表面成分交换的证据
接着作者希望探索出促进ASEN的表面分子交换机制。枯草芽孢杆菌中的MVs(细菌细胞间分子交换的另一种机制涉及MVs的脱落，它可以与原核和真核细胞融合)已被彻底表征。为了研究MVs是否促进ASEN，作者从高表达YueB-YFP的枯草杆菌细胞中分离出MVs(图4F1)。免疫高分辨扫描电子显微镜(HR-SEM)分析显示，部分MVs上存在YueB受体(图4F2和F3)。为了证实MVs含有完整的噬菌体受体，在纯化的MVs中加入了SPP1噬菌体。透射电子显微镜(TEM)分析证明SPP1附着在MVs上(图4G)，且phi29与MVs紧密连接(图4H)。
如果MVs介导了ASEN，则S细胞来源的MVs的加入应该会增加R细胞对SPP1侵袭的敏感性，但从R1细胞提纯的MVs没有检测到转导(图4I)。同时野生型S细胞的裂解物有效地诱导了R1的转导，且过度表达YueB的S细胞的裂解物显示出更高的转导频率(图4J)。与该发现一致，前述观察到的噬菌体入侵R细胞主要发生在大多数S细胞裂解后(图1和图2)，说明在此阶段，裂解的S细胞有助于吸引含噬菌体受体的MVs。
噬菌体附着物的交换介导噬菌体与非宿主物种的结合
如果ASEN确实是通过噬菌体受体的交换介导的，那么噬菌体应该结合缺乏gtaB和yueB基因的R细胞(R3)。为了验证这一预测，作者用DNA染料标记SPP1，可视化了噬菌体与S细胞、R3细胞以及两者的混合物在有或没有预先共培养的情况下的结合能力。正如预期的那样，噬菌体能有效地定位在S细胞表面，在纯培养的R3细胞上没有观察到结合，但在共培养后噬菌体附着在R3细胞上(图5A和B)。
作者认为ASEN不仅可以发生在枯草芽孢杆菌S细胞和R细胞之间，也可以发生在不同物种之间。根据这一概念，SPP1和phi29噬菌体只有在与敏感的枯草杆菌共培养时才获得结合蜡样芽孢杆菌的能力(图5C-F)。此外，当淀粉液化芽孢杆菌的细胞与枯草杆菌R3细胞混合培养时，SPP1获得了结合R3细胞的能力(图5G和H)。这些发现表明噬菌体附着分子可在不同物种之间交换，这一过程潜在地促进了噬菌体对自然界中非宿主物种的入侵。
在研究中，作者发现细菌群落中噬菌体敏感种群的存在会极大地影响种群动态。在研究过程中观察到，噬菌体在S细胞的介导下可以偶尔入侵R细胞，并将这种新发现的现象称为ASEN。在入侵过程中，还发现了噬菌体可以附着在非宿主细胞的表面，这表明该机制可以通过噬菌体促进物种之间的转导，启动HGT从而诱导细菌基因组进化，在宿主范围较狭窄的物种中也可能存在这样的机制。噬菌体可以利用多种未被发现的非传统传播机制，推测这些机制可以加速感染过程，并促进噬菌体在同一和不同物种的细胞内传播，这也揭示了一种全新的水平基因转移机制。
论文信息
原名：Acquisition of Phage Sensitivity by Bacteria through Exchange of Phage Receptors
译名：细菌通过交换噬菌体受体获得噬菌体敏感性
期刊：Cell
发表时间：2017.01
通讯作者：Sigal Ben-Yehuda
通讯作者单位：希伯来大学