细菌和噬菌体那些事儿——没有永恒的剥削，只有无尽的相互利用

作者：王佳宁，南京农业大学博士在读。主要研究噬菌体-宿主病原菌的生态互作。 

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！本期周刊为您介绍群体感应如何影响前噬菌体诱导。原文2020年发表于ISME Journal。

导读

前噬菌体（prophage）是可以将自身基因整合到到宿主基因组上的一类温和噬菌体。它们的基因可随宿主菌的增殖而传播，但一些条件会诱导前噬菌体从宿主基因上释放出来并伴随着宿主裂解成为游离噬菌体颗粒，这个过程称为前噬菌体诱导。以往研究认为前噬菌体诱导是噬菌体维持和提高自身适应性的一种生存策略，但本研究发现前噬菌体诱导可能也是宿主菌主动选择来提高自身适应性的一种方式。这一发现是通过研究群体感应对V. anguillarum和它的前噬菌体ɸH20互作影响得出的。研究发现高种群密度会抑制前噬菌体诱导和生物膜的形成，而低种群密度会有利于前噬菌体的诱导、生物膜形成以及种群聚集。

主要结果

1、噬菌体ɸH20颗粒的积累量高度取决于宿主群体感应状态

群体感应（Quorum Sensing，简称QS）是细菌根据细胞密度变化进行基因表达调控的一种生理行为。这里引入一直处于高种群密度QS状态下的突变体ΔvanO和一直处于低种群密度QS状态下的突变体ΔvanT（即两种突变体的状态不受种群密度的影响），直接研究了群体感应对携带前噬菌体H20的V. anguillarum 90-11-287的前噬菌体诱导的影响。发现高宿主细胞密度下自由噬菌体颗粒的相对浓度比低宿主细胞密度下的低（图1A），但这还不足以说明高种群密度抑制噬菌体诱导，因为细菌增长速率比噬菌体粒子释放的速率快也会出现类似结果。细胞密度和噬菌体颗粒数量的动态变化结果显示，虽然三种菌（WT、ΔvanO、ΔvanT）增长速率类似（图1B），但是QS缺陷型的突变体ΔvanT培养物中的噬菌体颗粒的量始终最高，而突变体ΔvanO培养物中的噬菌体颗粒量一直处于最低水平。这表明群体感应确实显著影响了H20前噬菌体P41和它宿主的相互作用。

图1 游离的噬菌体ɸH20的积累量依赖溶原宿主菌的群体感应状态

以上结果可以说明高水平的群体感应降低了自由噬菌体颗粒的积累量，低水平的群体感应有利于自由噬菌体颗粒的积累。但是噬菌体的积累量除了会受宿主群体感应调节，也可能受到自身稳定性和侵染能力影响。因此这里还检测了不同培养物中可以降解胞外噬菌体的蛋白质水解酶活性和噬菌体颗粒对宿主吸附率，发现这两个因素都不足以解释不同群体感应状态下胞外自由噬菌体显著的数量差异。所以得出结论：高群体感应水平抑制了前噬菌体的诱导才使得胞外自由噬菌体积累量低。

2、群体感应抑制生物膜形成而前噬菌体有助于生物膜形成     

为了确定前噬菌体对宿主性质的影响，这里通过定量生物膜研究了群体感应对生物膜形成的影响。发现菌株90-11-287的生物膜形成能力较差，但是群体感应缺陷的突变体ΔvanT生物膜形成能力显著提高（图2A），所以QS可能抑制了生物膜的形成。接着探究了前噬菌体对生物膜形成的潜在作用。发现没有前噬菌体的QS缺陷突变体ΔvanTΔH20与携带前噬菌体的ΔvanT相比，生物膜形成能力显著降低（图2A），细胞聚集能力也显著降低（图2B）。这说明前噬菌体有助于宿主菌生物膜形成和种群聚集。

图2 在低细胞浓度下生物膜形成和聚集被增强，也受前噬菌体的影响

总结

群体感应影响前噬菌体诱导的机制可能为：在低细胞密度下，响应调节子VanO（紫色）会被磷酸化并被激活，抑制QS途径，从而减轻了对前噬菌体H20（黑匣子）诱导的抑制，即噬菌体裂解增加。V. anguillarum在低细胞密度下形成生物膜，同时升高的前噬菌体诱导水平促进细胞聚集。随着细胞密度的增加，群体感应的主调节子VanT（深棕色）被翻译，噬菌体诱导被抑制，生物膜形成停止且细胞开始扩散（图3）。

图3 群体感应对前噬菌体诱导以及生物膜影响模型。

（活细胞以绿色表示，浅棕色细胞正在经历前噬菌体诱导，游离噬菌体从红色的死细胞中释放出来）

这一结果提示我们噬菌体和宿主菌的关系可能不是单方面的剥削，也可能是彼此成就。比如携带前噬菌体的鳗弧菌在感染鱼类宿主的初期由于前噬菌体诱导使种群数量低，但这有利于生物膜形成从而更容易在宿主表面定殖。当种群数量增高后前噬菌体诱导被抑制，使病原菌在感染后期更易扩散，当然前噬菌体的基因也随之传播。所以在利用噬菌体和群体感应治疗细菌感染时，需要我们全面了解噬菌体-细菌互作动态以及群体感应介导的毒力和生物膜等其他性质的影响。

论文信息

原名：High celldensities favor lysogeny: induction of an H20 prophage is repressed by quorumsensing and enhances biofilm formation in Vibrio anguillarum

译名：高细胞密度有利于溶原：鳗弧菌的前噬菌体H20诱导会被群体感应抑制但会增加生物膜形成

期刊：the ISME Journal

IF：9.493

发表时间：2020.04.09

通讯作者：MathiasMiddelboe和Sine Lo Svenningsen

通讯作者单位：哥本哈根大学生物系