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作者：何奕霖，南京农业大学硕士在读，主要研究噬菌体与根际健康。 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！本期周刊为您介绍相近宿主中驱动噬菌体侵染的多种策略，原文于2018年发表在《The ISME Journal》上。
噬菌体-宿主相互作用的研究对生态学、进化学和生物技术学至关重要，其中最重要的是与噬菌体侵染效率相关的研究。作者使用转录组学和蛋白组学来研究自然状态下的侵染效率：两种几乎相同(遗传和生理上)的拟杆菌门菌株(宿主18和宿主38)在遗传上是难以区分的，但在侵染效率变化的环境上是重要的。对于宿主18，专性噬菌体phi18:3高效侵染，而通用噬菌体phi38:1侵染效率低下。对于宿主38，只有phi38:1可以侵染并且效率高。总体而言，phi18:3抑制了宿主18的转录组和蛋白组，表达了可能规避宿主限制性修饰(RM)防御的基因，并控制了其代谢，使噬菌体的转录和翻译同步。相反，phi38:1未能抑制宿主18的转录组和蛋白组，没有表达规避宿主的RM防御或 控制代谢的基因，没有使转录与蛋白同步并且其蛋白质丰度可能是宿主蛋白水解酶靶标。然而，在宿主38上，phi38:1全面抑制宿主转录组和蛋白组，使噬菌体转录与翻译同步，并高效地侵染宿主38。这些发现共同揭示了多重侵染的效率低下。虽然这与实验室突变研究中经常揭示的单一机制形成对比，但它可能更好地反映了自然界中发生的噬菌体-宿主相互作用。1、噬菌体基因组和转录组揭示宿主范围和侵染效率的驱动因素 在宿主18中，专性噬菌体phi18:3具有75分钟的高效侵染（图2a），并且与phi38:1在相似时间内低效侵染同一宿主（图2b）的转录组结果相似。两种噬菌体都在60分钟内表达了它们所有的基因，并且转录丰度在侵染后的0,15-20和≥40分钟分别达到早期、中期和晚期表达的峰值(图1c, d)。此外，两个噬菌体在每个时间段的基因功能相似。也就是说，表达较早的是接管宿主的基因，包括核糖转移酶，丝氨酸/苏氨酸磷酸酶，或溶菌酶。中期表达的是DNA代谢基因，而最后表达的是结构基因和裂解基因。这样的转录模式在不同的细菌宿主和环境的噬菌体中是很常见的，这表明无论效率如何，缺乏RNA聚合酶(RNAP)的噬菌体可能能够利用宿主的RNAP进行转录。因此，噬菌体转录中的这些共性可以通过RNA-seq进行预测，并且与宿主类型、宿主范围和侵染效率无关。
图1 phi18:3和phi38:1侵染宿主18的侵染动态和表达谱 2、低效侵染中缺乏转录-翻译的同步 phi18:3中早期蛋白的存在(图2a, b)表明该噬菌体能够迅速利用宿主的翻译机制在很早就进行翻译。值得注意的是，在这些早期的蛋白质中有抗限制性蛋白，这是在侵染后逃避宿主RM系统的蛋白质之一。为了验证phi18:3在早期利用宿主翻译机制的假设，作者测量了噬菌体蛋白质动态变化(图2)，并观察到大多数(88%)phi18:3的早期转录产物产生早期蛋白质，总体蛋白质丰度与转录蛋白质丰度平行，早期、中期和晚期的分类很明显(图2a-c)。但是一种DNA复制蛋白是个例外，尽管它在中期进行转录，但它在早期就已经达到峰值(图2b)。据推测，这种蛋白质是在转录之前被检测到的，因为它包含在噬菌体粒子中，并在侵染时被引入。相比之下，86%的phi38:1蛋白的丰度比晚期转录组更晚达到峰值，并在60分钟后基本稳定(图2d-f)。为了确定phi38:1是否可以在其他宿主中更好地翻译，本研究在其侵染原始宿主(宿主38)时测量了其蛋白质动态变化，并将其与之前的转录组动态进行比较。结果表明噬菌体蛋白不再像侵染宿主18时那样延迟，而是在早期、中期和晚期类别中产生，其中超过一半(55%)是中/中晚期产生(图2g-i)。值得注意的是，宿主38翻译基因的上调也是中/中后期，这表明噬菌体phi38:1在宿主中的翻译主要与宿主翻译的激活同步，就像在宿主18上的phi18:3一样。根据噬菌体侵染已知系统的经验，鉴于噬菌体蛋白质的翻译预计会密切跟随转录，在宿主18中phi38:1无法同步翻译和转录可能导致这种低效的侵染。
图2 phi18:3和phi38:1的时间转录-翻译动态 3、宿主的转录组和蛋白组揭示了低效噬菌体侵染的原因 鉴于噬菌体蛋白组分析显示了利用宿主功能的差异，接下来检查了phi18:3和phi38:1侵染过程中宿主18的转录组和蛋白组，并将其与宿主38的反应进行比较。总体而言，在整个侵染过程中，phi18:3抑制了宿主18的转录，但phi38:1没有抑制(图3a)。这表明，就像phi38:1在它原来的宿主上一样，phi18:3在它自己的原始宿主中成功地关闭了转录(图3a)，而phi38:1在替代宿主中没有关闭。与转录反应类似，宿主的蛋白组受到噬菌体侵染的不同影响。即当phi18:3侵染时，宿主18的蛋白质丰度显著降低(图3b)，而phi38:1侵染时丰度增加(图3c)。相比之下，当phi38:1侵染宿主38时，宿主蛋白质丰度不再显著增加。这些蛋白组学数据表明，可变有效侵染对宿主蛋白组有差异影响，因此只有前者可能在噬菌体介导下阻止宿主蛋白质合成，而后者不影响宿主蛋白质组。在phi38:1侵染的4小时内，宿主18蛋白丰度的增加(图3c)表明该宿主继续翻译，这可能是一种对抗噬菌体的防御机制。在不同效率的侵染中，宿主接管存在差异，接下来研究了噬菌体对特定宿主功能的影响。
图3 phi18:3和phi38:1侵染期间宿主18的宏转录组和蛋白组 宿主RM系统 在phi18:3侵染过程中，宿主18的RM基因存在差异过表达，但phi38:1侵染过程中没有过表达(图4a)。蛋白组学表明，在phi18:3侵染期间，总体蛋白质丰度显著降低，但在phi38:1侵染时增加。如果它们参与了对噬菌体DNA的防御，这里的数据表明，宿主18在转录上激活了它的RM系统对抗phi18:3，但它的蛋白质可能遇到phi18:3早期翻译的抗RM基因并被灭活。虽然这仍然是一个悬而未决的问题，但观察到的RM基因的过表达(图4a)可能是诱导RM系统的一个例子，不仅可以阻止噬菌体phi18:3 DNA进入，还可以阻止复制。相反，phi38:1中缺乏这些基因将阻止这种失活，并可能允许宿主18RM蛋白从基因的基础表达积累，并有助于先前观察到的宿主靶向phi38:1 DNA。宿主翻译基因 phi18:3合成了早期的蛋白质(图3b-c)，且之前的转录组数据表明，宿主翻译基因在宿主38和宿主18中的差异转录导致了phi38:1的病毒粒子形成延迟。宿主18的转录组(图4b)和蛋白组表明，phi18:3比phi38:1更好地激活了宿主的复制翻译机制。从侵染早期，与phi38:1相比(图4b)，phi18:3与宿主18的基因有更高的差异表达。此外，蛋白组中还反映了早期翻译激活的差异：被phi18:3侵染的宿主18产生了93%的翻译蛋白，而被phi38:1侵染时只有2%，因此表明phi18:3比phi38:1更容易利用宿主18的翻译机制。在被phi18:3侵染的宿主18中这种高效翻译与在被phi38:1侵染的宿主38中观察到的这种高效翻译之间的区别是，被phi18:3侵染的宿主18细胞较早表达的翻译基因是phi38:1侵染时的4.5倍(图4b)。研究中假设宿主翻译激活使噬菌体更好地实现转录-翻译同步，从而有效地侵染原宿主，而在宿主18中翻译的早期激活使phi18:3能够早期翻译其宿主接管蛋白。
图4 相应phi18:3和phi38:1的宿主18的限制性修饰和翻译基因的表达 宿主蛋白酶 虽然大多数(86%)phi38:1的蛋白质在侵染宿主18时产生较晚，但一些(14%)蛋白质在侵染宿主18时产生较早(图3d-f)，这表明phi38:1蛋白可能会遇到宿主18的蛋白酶，并导致转录-翻译同步中断。值得注意的是，对于前面提到的phi38:1蛋白丰度延迟可能存在其他解释，但在这里考虑了高度保守的蛋白酶ClpP，因为它可以靶向几种噬菌体蛋白，也可以被噬菌体对抗防御抑制。该宿主18基因对phi18:3的反应是差异低表达，但对phi38:1的反应不是(图5a)，在phi38:1中，该基因甚至没有差异表达。从phi18:3侵染开始到结束，蛋白质丰度显著降低 (图5b, c)。这些结果表明，ClpP仅被phi18:3而不是phi38:1灭活，这反过来又可能导致ClpP的积累，从而可能靶向降解phi38:1蛋白。这种动态将与之前观察到的病毒粒子合成和这里观察到的蛋白质合成的延迟相一致(图3d-f)。
图5 phi18:3和phi38:1侵染中宿主18蛋白酶ClpP的基因表达和蛋白丰度 虽然采样、测序和信息技术的进步更好地揭示和分类了自然存在的噬菌体基因和基因组的多样性，但它们的生物学往往仍未得到充分的研究，这是因为(1)知识主要来自实验室模型系统的靶向研究，未能充分反映感染效率和噬菌体-宿主相互作用的自然多样性;(2)研究环境噬菌体-宿主系统的实验挑战，其中大多数缺乏遗传工具。因此，对低效率感染的机制研究不足，对噬菌体成功的了解大多局限于宿主防御，要么阻止噬菌体吸附和DNA存活，要么导致转录和裂解延迟。尽管对噬菌体的研究已经进行了一个世纪，新的噬菌体生物学仍在继续被发现。例如，目前已知噬菌体使用复杂的通信系统，可导致人类产生非宿主源性免疫。而这些知识空白被填补后，将噬菌体纳入生态系统模型就变得至关重要，这最终将有助于推进基于噬菌体的生物技术和治疗应用。然而，最根本的是需要了解驱动噬菌体-宿主相互作用生物学和感染效率的策略。将组合全基因组组学应用于两种环境细菌宿主菌株和在共享宿主上具有不同感染效率的两种噬菌体，我们在这里揭示了多种机制改变噬菌体在几乎相同的宿主上的感染效率。与传统实验室实验中诱导的基因突变相比，这种在自然发生系统中的发现可能更好地模拟自然界中的噬菌体感染。如果是这样的话，这些数据如果可以推广，将有助于更好地理解感染效率，反过来，也有助于更好地了解噬菌体如何被改造，以更好地“编辑”支配生态系统和人类健康的微生物群落。论文信息 原名：Multiple mechanisms drive phage infection efficiency in nearly identical hosts 译名：相近宿主中驱动噬菌体侵染的多种策略 期刊：The ISME Journal DOI：10.1038/s41396-018-0099-8. 发表时间：2018.3 通讯作者：Matthew B. Sullivan 通讯作者单位：Department of Microbiology, The Ohio State University, Columbus, OH, USA
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