【LorMe周刊】噬菌体疗法会走入温和噬菌体时代吗？

作者：王佳宁，南京农业大学博士在读。主要研究温度和资源对青枯菌-噬菌体互作的影响。

周刊主要展示LorMe团队成员优秀周报，每周定期为您奉上学术盛宴！本期周刊为您分析温和噬菌体在治疗细菌感染方面的可行性。

导读

目前应用噬菌体治疗细菌感染的首要原则是选择严格的裂解性噬菌体，因为温和噬菌体可以介导细菌间基因转移，有增强细菌毒性的风险。但随着测序技术和合成生物学的发展，我们可能有机会利用温和噬菌体来治疗细菌病害，扩大我们治疗细菌感染的武器装备，抵御不断升级的耐抗生素细菌的威胁。

噬菌体疗法的崛起

过去几十年里，细菌耐药性问题逐步演变成一个临床和公共健康问题。据估计，到2050年，耐抗生素细菌每年将导致1000万人死亡。所以亟需新的高效治疗细菌感染的方法来防止这一预测成为现实。裂解性噬菌体能够靶向特定宿主细菌并将其裂解，此外还具备对整个微生物区系的扰动小，繁殖迅速、生产的成本低等优点。所以噬菌体是替代抗生素的不错选择，但是在临床应用的过程中，我们必须意识到噬菌体和细菌已经共同进化了几百万年，这却没有让它们之间的任何一方灭绝。这表明噬菌体无法完全消灭目标细菌，因为细菌能够快速进化出噬菌体抗性。虽然临床治疗推荐使用严格的裂解性噬菌体，但是不能避免目标菌株对所用噬菌体产生抗性的问题，除了噬菌体鸡尾酒（多噬菌体组合），我们能否找到其他方法来提高噬菌体的治疗效果？

温和噬菌体治疗细菌感染的局限

与裂解性噬菌体不同，温和噬菌体是将自身基因整合到宿主基因组上而不引起宿主的裂解（图1）。在临床上应用温和噬菌体具有潜在风险：1）由于温和噬菌体不能导致宿主菌的直接死亡，所以对宿主菌的影响没有裂解性噬菌体迅速。2）宿主菌被温和噬菌体感染后可能会引起细菌的免疫反应，使对噬菌体敏感的细菌不能再被感染。3）温和噬菌体能介导细菌间基因的水平转移，即可以将前一个宿主的部分基因传递给下一个宿主。4）温和噬菌体本身可能携带能增强宿主致病性或抗生素抗性的基因，所以可能将无毒菌株转变成致病性菌株或提高抗生素抗性。

图1 噬菌体的裂解（Lytic）和溶原（Lysogenic）生活史。（图片源自Mirzaei and Maurice, 2017）

温和噬菌体治疗细菌感染的优势

虽然将温和噬菌体用于医疗存在多方面的隐患，但是它们也存在着一些独特的优势。首先温和噬菌体在自然界中的量非常大，几乎一半测序的细菌都是溶原菌，所以利用下一代测序技术，我们可以发现和分离获得温和噬菌体。直接在细菌基因组上确定温和噬菌体（而不是在自然界中寻找）对发现一些严格厌氧细菌的噬菌体来说非常有用，因为这些菌的生存条件很难分离获得裂解性噬菌体。其次，尽管温和噬菌体能将自身基因整合到宿主基因组上被认为有风险，我们也可以加以利用。合成生物学可以设计温和噬菌体基因组使其传递合成的基因网络，从而达到使细菌死亡或重新对抗生素敏感的目的。因为这样做不会引起细菌的裂解，所以就降低了细菌内毒素释放的风险（裂解性噬菌体不能避免）。此外，还可以去除维持噬菌体溶原生活史的基因或致病基因，将温和噬菌体变成裂解性噬菌体或消除增强宿主菌致病性的风险。

温和噬菌体疗法的探索

目前已经有研究开始探索温和噬菌体的潜力。温和噬菌体之所以能保持溶原是因为它们有整合自身基因和抑制裂解的基因簇，如果丢掉这一基因簇，温和噬菌体可以变成裂解性噬菌体（vir）。将温和噬菌体诱变成裂解噬菌体的一种自然的方法是用诱导剂（如羟胺）：将温和噬菌体从宿主菌的基因组中切离，再通过噬菌斑筛选丢失溶原基因的vir突变噬菌体（图2A）。也可以用基因工程的方法获得vir突变体：例如，用一种nisin诱导的抑制因子替换噬菌体cro抑制因子，使vir突变体成为携带原始温和噬菌体的裂解性噬菌体（图2B）。还可以用生物合成方法直接去除温和噬菌体的溶原功能（图2C）。

图2 获得裂解性突变噬菌体（vir）的方法。

利用温和噬菌体能将自身基因组整合到宿主染色体上的能力，可以让其传递合成的基因来干预宿主菌的细胞过程。比如让温和噬菌体携带对抗生素敏感的基因到已经对抗生素产生抗性的菌株体内，可以让抗性菌株对抗生素重新敏感（图3A）。让温和噬菌体携带靶定细菌质粒上的抗生素抗性基因的CRISPR-Cas系统，再结合同样经过修饰的裂解性噬菌体，可以选择对抗生素敏感的溶原菌（图3B）。温和噬菌体中整合的CRISPR-Cas系统可用于靶向某些致病菌的特定基因，在不裂解的情况下导致细胞死亡（图3C）。

图3 利用温和噬菌体传递合成基因网络。

展望

合成生物学为在细菌感染治疗中使用温和噬菌体提供了可能性，而且已有的尝试可以说明温和噬菌体有巨大的治疗潜力。但也要注意噬菌体的很多基因功能我们尚不清楚，为了发挥和优化噬菌体疗法还需要深入了解噬菌体的基本基因功能。

原文：Phage Therapy: Going Temperate?

期刊：Trends in Microbiology

DOI: 10.1016/j.tim.2018.10.008

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