【LorMe周刊】小身体·大能量--噬菌体的基因组学时代
作者：李婷婷，南京农业大学硕士在读。主要研究根际噬菌体-青枯菌共进化动态。
从1977年噬菌体φX174基因组的发表，到1983年巨型基因组噬菌体λ噬菌体的出现，噬菌体基因组学的研究时代已经到来。近些年来，基因组学的研究速度不断加快，现今已经破解100多种噬菌体基因组，在未来的几年内，这个数字可能会达到几千种。单个噬菌体的基因组序列中蕴含着丰富的生物学信息，而随着高通量测序技术的发展，更让人兴奋的是，可以整体上分析噬菌体序列，进而回答以下问题：从全基因组的角度解析与种群相关的一系列生物学问题，如：全球噬菌体种群的结构是什么？它的动态如何？噬菌体如何进化？这正是基因组学的核心。
噬菌体是一个多样化的类群，根据基因组不同，可以分为单链/双链的RNA或DNA噬菌体，而根据形态的不同可以分为有尾（又可分为：长尾、短尾和肌尾）和无尾噬菌体。目前的研究已知，96%的噬菌体属于有尾噬菌体。从头部、尾部、微纤维的包装，核酸的复制，到转录调控和裂解基因这些功能都可以凝缩在20kb的基因组长度中。随着基因组长度的增加，对应噬菌体的功能也会增加，并呈现出更加复杂的生物学现象。
图1 电镜下的噬菌体形态
研究发现地球上存在着1030的病毒颗粒，其中大部分是噬菌体。庞大的噬菌体群体在自然环境中发挥着重要作用，如地球碳循环和能量流动。宏基因组学的研究不仅着眼于宏观角度下的噬菌体种群多样性，大尺度下的基因组潜在相似性也是研究的一个热点。这些噬菌体的基因组并非一成不变，而是在某些情况下会进行重组。最近的报道发现在λ型噬菌体的基因元件之间存在一些短的序列同源性区域。这些序列可通过同源或位点特异性重组，促进遗传重组。这样的重组不仅发生在噬菌体与噬菌体之间，也发生在噬菌体与对应的宿主之间，噬菌体基因组的重组一定程度上也会影响细菌的基因组改变。这些新的基因片段从何而来呢？研究发现，噬菌体携带的这些新的基因片段通常位于噬菌体的附着位点附近，可以推断，这些片段可能是由于不精确的基因剪切获得。这些新片段为噬菌体提供新的一些功能的同时，也会在一定情况下被舍弃，总体上保持一个适当的基因组长度。
图2 噬菌体基因组
截至2020，对于2002年这篇文章中展望的有关单个噬菌体以及噬菌体群体测序的工作已经取得长足进步，并且研究不再局限于噬菌体多样性和群系模型构建的研究。更加精确的噬菌体功能和机制研究正在进行中，如：我们通过噬菌体的基因组学研究噬菌体与宿主共进化动态，宿主-噬菌体之间在抗性与反抗性进化中，在细菌外部，限制性修饰系统（RM系统）可以通过表面受体修饰抵抗噬菌体侵染，在噬菌体突破外部防线后，细菌内部的适应性免疫系统（CRISPR系统）也可以剪切掉噬菌体注入的基因，达到阻止噬菌体入侵的目的，同时，噬菌体也有对应的反抗性系统（Peter C. Fineran，2020）【细菌-噬菌体间的军备竞赛】。还有宿主抗噬菌体的“防御岛”和噬菌体反抗性系统之间的较量（Sorek R，2018）【细菌和古菌多重抗性系统抵御噬菌体和外来质粒】。在噬菌体功能研究方面，噬菌体可以破坏宿主对抗生素抗性系统，提高宿主对抗生素的敏感性达到噬菌体抗生素联用抑菌的目的（Bryan B. Hsu. 2020）。基因组长度高达735kb的巨型噬菌体的发现，更是通过基因组学研究发现其功能与小型细胞媲美，打破病毒与细胞生命的界限，突破传统病毒生存方式观念（Jillian F. Banfield，2020）【巨型噬菌体-敲开横亘在生命与非生命间的大门】。而传统的关于单个噬菌体的基因组研究也有了新的发现，有研究者发现，噬菌体的溶源性转化是有一个“决策”过程的，如：当噬菌体phi3T侵染芽孢杆菌宿主时，它会释放出一种被称为Arbitrium的6 aa肽。经过几个周期的感染，Arbitrium肽浓度的上升会引发噬菌体做出溶原的转变（Sorek R，2017）。
图3 噬菌体和细菌CRISPR相互作用机制
文章研究不仅仅着眼于噬菌体基因组理论上的研究，噬菌体疗法的应用以及噬菌体相关酶产物的提取也成为实际生产中的重要研究方向。大家已经不仅仅局限于发现新的单个噬菌体基因组的研究，研究的视角逐渐转向宏观角度下的基因组学分析。直接对环境中的噬菌体进行分析也可以避免“可培养”这一研究困境，基因组测序手段的发展和成本降低，使噬菌体基因组学开始在噬菌体研究整体的空间建模中发挥主导作用。而今天，基因组研究因为宏基因组测序的技术突破和噬菌体研究的蓬勃发展，更加精确，针对性强，目的明确的基因组学研究正在各个科学领域发挥重要作用。
论文信息
原名：Phage Genomics: Small Is Beautiful
译名：噬菌体基因组学:小就是美
期刊：Cell
发表时间：2002.1.11
通讯作者：Harald Brüssow
通讯作者单位：瑞士雀巢研究中心