【LorMe周刊】噬菌体侵染改变宿主代谢和裂解产物组成
作者：侯如娇，南京农业大学硕士在读，主要研究利用噬菌体防治土传病害。
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！本期周刊介绍噬菌体侵染对宿主细菌的影响。原文于2013年发表在《The ISME Journal》上。
噬菌体是一种细菌性病毒，除了目前我们已知的可以靶向裂解宿主细菌外，还会在侵染细菌的过程中发生一些有趣的改变。宿主细胞为病毒复制提供资源，病毒也会反过来影响宿主细胞的代谢。但噬菌体感染重塑宿主代谢的程度有多大？这种代谢改变对病毒裂解细胞后释放的物质的影响如何？为了弥补这一知识空白，该研究利用液相色谱-质谱(LC-MS/MS)、代谢组学等多种技术，研究了噬菌体roseophage侵染硫杆菌(Sulfitobacter sp. 2047)的生长动力学、代谢和胞外裂解产物动态变化。试验对封存于颗粒生物量中的碳和氮总量进行定量估计，在感染周期的7个时间点测量细胞内82种代谢物的浓度，比较侵染和未侵染细菌细胞代谢，并探究了活性感染与代谢物之间的关系。结果发现噬菌体侵染影响了宿主细菌的代谢以及环境中营养物质的流动，这对微生物群落生态学和生物地球化学有重要意义。
一、噬菌体感染硫杆菌后生长动态及碳氮计量变化
首先，试验观察了8h内未被侵的染硫杆菌，被侵染的硫杆菌及噬菌体的生物量变化。在240min之前，被感染硫杆菌生长与对照未感染的生长几乎相同，在60到240min噬菌体快速增殖。在480min实验结束时，有噬菌体的烧瓶中细菌密度是对照培养基中细菌密度的30%，噬菌体数量与细菌数量之比大于2500:1（图1a）。同时设置七个时间点监测了培养物中总碳、氮计量变化。在最后一个时间点，对照培养物的C和N含量分别为76.74(±10.43)和18.0(±2.45)mg·L-1（图1b，c）。相比之下，最后噬菌体处理的培养物中有95mg·L-1的C和29.59mg·L-1的N。在整个实验过程中，计算感染硫杆菌种群和对照的C/N，结果发现对照组的C/N保持不变，被感染的硫杆菌种群在480min时碳氮比率下降了32%（图1d）。结果表明被噬菌体侵染后总生物量碳氮增加，宿主内碳氮化学比下降。
图1 噬菌体感染硫杆菌生长动力学及碳氮计量变化
注：噬菌体(绿)、感染培养(红)、对照培养(蓝)；显微镜观察细菌细胞密度；qPCR法测定噬菌体数量。
二、整个感染周期的细胞内代谢物浓度变化
在整个感染周期的7个离散时间点，通过LC-MS测量了感染种群和对照中82种中枢途径代谢物（核心代谢组）的相对浓度（图2），结果发现大多数代谢物浓度在感染种群中相较对照组增高。在感染早期(120min)，被感染硫杆菌种群和对照之间25%的代谢物有显著差异。在感染周期结束时(480min)，噬菌体感染硫杆菌种群中75%的代谢物浓度显著升高（图3）。
图2 噬菌体感染和对照硫杆菌种群细胞内代谢物热图
注：细胞内代谢物浓度增加以红色显示，减少以蓝色显示；行代表特定的代谢物。
图3 噬菌体感染群体和对照群体细胞内代谢物浓度对比变化
三、噬菌体感染过程中的代谢转化和通量
上述研究中发现在480min时，与对照组相比，被感染硫杆菌种群中几种氨基酸浓度升高了1.6-6.0倍（图2）。为了验证硫杆菌含有高浓度的谷氨酸和谷氨酰胺，测定了它们的绝对浓度，发现在480min时，被感染培养物中，谷氨酸盐和谷氨酰胺绝对浓度分别为7.1×10-14 g/细胞和2×10-15 g/细胞（图4a和b）。
在感染周期中测量代谢物浓度后，进一步使用C13-乙酸酯进行稳定同位素标记研究。在与早期（添加病毒后立即）和晚期(240min)相匹配的时间，将C13标记的乙酸酯添加到单独的培养物组中，通过LC-MS/MS监测代表三羧酸循环成分、氮同化中间产物和氨基酸的代谢物。所选择的代谢物在三羧酸循环与硫杆菌(Sulfitobacter sp.2047)中谷氨酸和谷氨酰胺代谢之间的关系如图4d。
这些测量提供了两个有用的数据：（1）由于生物合成引起的代谢物转换更新的速率；（2）营养物质通量，即通过的营养物质总量，与周转率和代谢物池大小成比例。在感染早期，对照培养物和病毒处理培养物之间测量的谷氨酸和谷氨酰胺周转率无法区分（图5a和c），但在感染后期，谷氨酸和谷氨酰胺在被感染培养物中低于对照（图5b和d），但在两个阶段中，谷氨酸和谷氨酰胺通量均增加了，其中谷氨酰胺的通量在感染早期和晚期分别增加70-100%和200-400%。
图5 两个不同感染阶段谷氨酸和谷氨酰胺代谢通量
注：噬菌体感染和对照两个不同的感染阶段：（a，c）感染后0~60 min（早期）和（b，d）感染后240~300min（晚期）；噬菌体感染（红色实线）和对照（蓝色实线）菌群中未标记代谢物的消失；噬菌体感染（红色虚线）和对照（蓝色虚线）菌群中的C13标记代谢物。
四、噬菌体裂解细胞后胞外小分子的组成改变
在480min时收集噬菌体感染培养物和对照培养物的无细胞滤液，在感染培养物或对照培养物的滤液中检测到56种代谢物。被感染培养物中的代谢物浓度并不是都增加。其中，在病毒感染培养物中检测到的代谢物浓度增加了的占29%，没有变化有45%，下降了的占27%（表1）。与对照组相比，在被病毒感染培养物的滤液中，C和N代谢的几个成分（即α-酮戊二酸、磷酸烯醇丙酮酸、乳酸和红细胞-4-磷酸）以及小的辅助因子（黄素腺嘌呤二核苷酸和烟酰胺腺嘌呤二核苷酸）减少或未检测到。相反，细胞壁成分（如磷脂酰胆碱和磷脂酰乙醇胺）只存在于病毒感染培养物的滤液中。此外，一些氨基酸（天冬酰胺、蛋氨酸、半胱氨酸和高丝氨酸）和尿素的含量分别平均提高了2倍和2.8倍。
在本研究中，发现噬菌体并非通过特异性代谢途径改变影响宿主，而是通过增加宿主细胞内多种代谢物浓度及代谢活性。噬菌体繁殖从宿主体内及环境中吸收大量碳氮，导致感染细胞中C/N的化学计量不平衡，意味着营养转移和刺激次级生产。噬菌体裂解细胞后胞外物质变化并不一致，一些小分子可以被残留的活性细胞吸收以支持自身的代谢，而滤液中相对浓度增加的代谢物是那些通常与细胞应激有关的代谢物或那些可能太大而不能运输到细胞中的代谢物。综上，受感染的细胞与未受感染的细胞有很大不同，被感染细胞作为一种独特的生化细胞类型受到重视。本研究为噬菌体感染对宿主代谢影响的机制性理解提供了一个生化基础，并可扩展到生物地球化学框架。
论文信息
原名：Phage infection of an environmentally relevant marine bacterium alters host metabolism and lysate composition
译名：噬菌体感染环境相关的海洋细菌改变宿主代谢和裂解产物组成
期刊：The ISME Journal
发表时间：2013.12
通讯作者：Alison Buchan
通讯作者单位：田纳西大学微生物系