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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。
 噬菌体和宿主细菌随着时间的推移共进化。群体感应（QS）系统在微生物信息交流中起着关键作用，其在细菌与噬菌体的相互作用中如何发挥作用？文章介绍了QS系统在细菌生物膜形成、噬菌体吸附、噬菌体裂解-溶原转化、细菌与噬菌体协同进化、噬菌体间信息交换等方面的作用，其中QS系统可以调节细菌的生理过程包括生物膜形成、功能因子表达以及代谢，同时会调控噬菌体裂解细菌的程度，是一种新的抑菌策略。  生物膜是自然条件下细菌在固体表面形成的物质，有利于细菌的生存，细菌生物膜可以增加细菌对外部物理和化学环境的抵抗力，使细菌难以被杀死。QS系统通过信号分子调节胞外多糖、粘附素和其他物质的合成基因，从而影响细菌生物膜的形成。而噬菌体可以通过解聚酶分解生物膜，裂解细菌，因此利用噬菌体破坏生物膜可作为猎杀病原菌的重要方式。图1总结了QS介导生物膜影响细菌-噬菌体平衡的机制。
图1 QS调控细菌生物膜和噬菌体之间的相互作用 由于细菌单个细胞之间的紧密结合，一些噬菌体受体被隐藏，导致噬菌体吸附率降低。因此生物膜结构可以防止噬菌体进入细菌群。相关研究表明噬菌体感染导致大肠杆菌和铜绿假单胞菌中QS基因表达水平显著上调，生物膜增加。在某些情况下，噬菌体可以促进细菌生物膜的形成。一些情况下噬菌体也能更有效地破坏生物膜。例如噬菌体相关基因产生的裂解酶可以分解生物膜的胞外多糖（如肽聚糖），这些成分的缺乏会阻碍生物膜的网络连接；噬菌体尾巴上的裂解酶通常是隐藏的，当尾巴与细菌接触时，这些酶就会暴露出来。噬菌体尾部的酶可以帮助噬菌体分解细菌细胞壁；噬菌体进入宿主后，噬菌体触发宿主表达酶，通过相互作用机制降解生物膜；噬菌体也可以通过生物膜的疏水通道进入生物膜，从而裂解膜上的细菌；噬菌体通过释放宿主QS抑制剂（如乳糖），阻碍细菌个体之间的交流，促进噬菌体对细菌的裂解。 在许多情况下，噬菌体不能彻底消灭宿主细菌。用噬菌体侵染8小时后，生物膜虽然解聚，游离细菌48小时后仍然存在。与噬菌体相比，添加与噬菌体相关的基因产物例如溶菌素，可以提高杀菌效率，同时避免毒性基因的传播，减少细菌耐药性的发生。由于天然噬菌体中存在细菌生物膜分解基因，可以提高噬菌体对细菌的杀灭效率。 二、细菌QS系统参与噬菌体吸附及裂解-溶原转化 细菌表面结构有很多噬菌体吸附的结合位点，包括fagella、pili和其他表面蛋白质。细菌QS系统可以阻止噬菌体的吸附，一方面在没有信号分子的情况下，噬菌体通过与细菌fagella或fmbriae受体结合，吸附到细菌上。细菌产生QS或外源信号分子可以掩盖细菌fagella或pili的正常形态，导致噬菌体吸附效率降低。另一方面在没有信号分子时，噬菌体通过与宿主细菌的表面蛋白受体结合来吸附到宿主细菌，细菌产生QS或外源信号分子可以抑制某些细菌表面蛋白的表达，从而阻止噬菌体吸附（图2）。例如外源AHL信号分子可以抑制大肠杆菌表面蛋白LamB的表达，从而阻断噬菌体的吸附；细菌在其代谢活动中释放一种膜，称为外膜囊泡（OMV），可以欺骗噬菌体进而保护宿主细菌并阻止噬菌体的DNA复制。通过QS系统介导OMV的形成可以阻止噬菌体吸附。
图2 QS系统阻止噬菌体吸附 群体感应（QS）系统可以控制噬菌体裂解-溶原转化（图3）。一些研究人员在霍乱弧菌中发现了一个QS系统环，由细胞质受体转录因子（LuxR-solo、VQMA）和3,5-dimethylpyrazin-2-ol（DPO）组成。VQMA蛋白由原噬菌体VP882同时编码。噬菌体蛋白VQMA与霍乱弧菌产生的DPO结合后蛋白质失活，导致噬菌体裂解转化。这表明噬菌体通过编码QS组分，将宿主细胞密度信息整合到裂解-溶原决定中。激活QS途径使弧菌噬菌体（VP882）产生Qtip，Qtip通过干扰前原菌体抑制因子（cIVP882）促进宿主细胞的裂解。此外，噬菌体裂解受cAMP受体蛋白CRP介导的细胞代谢状态控制。代谢是细菌生存的重要部分，利用细菌代谢实现噬菌体增殖可提高噬菌体的活力。
图3 QS系统控制噬菌体裂解-溶原转化 三、细菌QS系统介导细菌噬菌体生态进化 生物在生存竞争中需要不断进化，以保持对捕食者的相对适应性。尽管细菌有多种机制抵抗噬菌体，但噬菌体的数量是细菌的10倍。抗性菌株可以暂时逃避噬菌体捕食，但随后出现的噬菌体群体会再次感染进化后的细菌。噬菌体的快速反应能力主要是由于其快速增殖能力和基因组的高度可塑性。除了与传统细菌受体结合外，噬菌体还可以通过修饰受体结合蛋白来选择新的受体。细菌的群体信号分子可以通过调节CRISPR-Cas系统的活性增强对噬菌体的抗性。通过噬菌体介导的水平转移基因，细菌可以更好地适应新的环境。在抗生素的压力下，自感信号分子（AI-2）可诱导噬菌体编码的毒力基因在细菌中的表达水平。 噬菌体之间存在信息交流。研究表明噬菌体可以编码一个独特的噬菌体类似QS系统来确定裂解溶源转换的时间。如spBeta噬菌体的裂解状态可通过小分子通讯系统确定。当感染芽孢杆菌时，噬菌体产生6aa通讯肽，释放到培养基中，子代噬菌体根据6aa通讯肽的浓度确定是否裂解宿主。两代噬菌体之间的这种信号交换延长了噬菌体的存活时间。   细菌与噬菌体已经共存了数十亿年，进化出许多生存策略。QS系统广泛存在于细菌或噬菌体中，在细菌与噬菌体的相互作用中起着至关重要的作用。细菌可以通过QS系统抑制噬菌体的感染。相反，噬菌体可以通过调节细菌QS系统跨越宿主的防线。在自然环境中，细菌与噬菌体的相互作用涉及复杂的种内和种间信息交换，QS系统如何介导细菌-细菌、细菌-噬菌体和噬菌体-噬菌体相互作用的机制值得进一步探究。 论文信息 原名：Mechanisms of interactions between bacteria and bacteriophage mediate by quorum sensing systems 译名：群体感应系统介导的细菌和噬菌体相互作用机制 期刊：Applied Microbiology and Biotechnology 发表时间：2022.03 通讯作者：Fang Tang 通讯作者单位：南京农业大学 |
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