2025年8月7日，中國科學院南海海洋研究所王曉雪唯一通訊在Nature Communications在線發(fā)表題為“Crosstalk between inovirus core gene and accessory toxin-antitoxin system mediates polylysogeny”的研究論文。該研究揭示了 Pf4 核心區(qū)蛋白 RepG4 (PA0717) 與 Pf6 輔助 KKP（激酶-激酶-磷酸酶）毒素-抗毒素模塊之間的相互作用，該模塊負責協(xié)調(diào)它們的增殖。

多溶源性是指單個細菌基因組中同時存在多個原噬菌體，這種現(xiàn)象在細菌病原體中很常見，可增強其毒力和基因組可塑性。絲狀病毒（絲狀噬菌體）在主要病原體中通常以多個拷貝存在，從而導致多溶源性。兩種高度相似的絲狀噬菌體（Pf4 和 Pf6）整合到廣泛分布的模型銅綠假單胞菌菌株中，并且兩種原噬菌體在生物膜形成過程中均被激活。目前尚不清楚這兩種原噬菌體是競爭性還是協(xié)同性發(fā)揮作用。

RepG4參與Pf4噬菌體的復制，通過降解磷酸酶抗毒素，以劑量依賴性方式觸發(fā)KKP激酶介導的毒性。這種串擾充當了分子制動器的作用，阻止了Pf4的過量產(chǎn)生，并在生物膜成熟過程中協(xié)調(diào)了Pf4和Pf6噬菌體的釋放。本研究結(jié)果為理解噬菌體核心基因和輔助基因之間的緊密調(diào)控在共存原噬菌體之間建立互利共生關(guān)系中的重要性提供了寶貴的見解。

噬菌體與其宿主之間存在著捕食者-獵物關(guān)系。溫和噬菌體可以保持原噬菌體狀態(tài)，與宿主染色體同步復制，也可以進入裂解周期，產(chǎn)生病毒體。先前的分析表明，包括大腸桿菌、沙門氏菌、假單胞菌和李斯特菌在內(nèi)的病原體通常攜帶多個原噬菌體，從而導致多溶源性。原噬菌體的多樣性通常編碼了病原體的進化歷史，并反映了其對混雜生活方式的適應(yīng)性。當單個原噬菌體在壓力或特定環(huán)境條件下被激活時，它可以調(diào)節(jié)共存原噬菌體的活性，誘導其切除或抑制其表達。原噬菌體的溶源性-裂解性轉(zhuǎn)化通常受噬菌體阻遏物和抗阻遏物的調(diào)控。先前的研究表明，抗阻遏物可以作用于非同源阻遏物，從而為串擾奠定了基礎(chǔ)，這種串擾可以協(xié)調(diào)多溶源性沙門氏菌中多個原噬菌體的誘導。原噬菌體間競爭的另一個調(diào)控模塊涉及一個轉(zhuǎn)錄因子，該轉(zhuǎn)錄因子指導一個小蛋白使原噬菌體阻遏物失活，從而導致其自身原噬菌體的特異性激活。

絲狀病毒（Inoviruses），又稱絲狀噬菌體，廣泛存在于各種環(huán)境中，并能感染多種細菌宿主，包括霍亂弧菌和銅綠假單胞菌。比較基因組學研究表明，絲狀病毒在主要病原體中具有較高的流行率，并且這些病毒通常在同一宿主細胞內(nèi)存在多個拷貝。與Lambda等溫和噬菌體（通常在激活后引發(fā)宿主快速裂解）不同，絲狀病毒會建立慢性感染，并通過非裂解性的“出芽”機制持續(xù)釋放病毒子代。目前尚不清楚共存的絲狀原噬菌體在病原噬菌體激活過程中是競爭性地發(fā)揮作用還是協(xié)同作用。

每個原噬菌體都攜帶獨特的輔助基因，這導致了細菌基因組的鑲嵌性。遺傳內(nèi)容、整合位點和生命周期策略的差異使原噬菌體能夠在不同的細菌宿主中發(fā)揮特定功能，從而影響多種表型特征。例如，原噬菌體編碼的毒力因子促進細菌的定殖和存活。原噬菌體是各種防御系統(tǒng)和抗防御系統(tǒng)的儲存器，包括限制性修飾系統(tǒng)、毒素-抗毒素 (TA) 系統(tǒng)和抗 CRISPR 系統(tǒng)。在過去的幾十年中，這些原噬菌體編碼的防御系統(tǒng)已經(jīng)出現(xiàn)了幾種策略，它們通過攻擊噬菌體結(jié)構(gòu)蛋白、復制蛋白，甚至滅活宿主細胞表面的噬菌體受體來阻止吸附，從而特異性地靶向溶解性噬菌體感染。在多溶源性病原體中，共存的原噬菌體可以響應(yīng)外部壓力源，將它們之間的相互作用從競爭轉(zhuǎn)變?yōu)榛ダ采?，共同對抗入侵者。然而，這些原噬菌體編碼的防御系統(tǒng)在多溶源性病原體原噬菌體誘導過程中的功能仍未得到充分探索。

在銅綠假單胞菌的兩個亞系中，一個菌株（命名為PAO1）僅含有Pf4原噬菌體，而另一個密切相關(guān)的菌株（命名為MPAO1）則攜帶一個額外的Pf原噬菌體Pf6。重要的是，這兩個Pf原噬菌體在MPAO1生物膜形成過程中均被激活。這些Pf噬菌體在介導肺部生物膜形成和毒力方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用，并且還能通過直接抑制吞噬作用和細菌清除來抑制哺乳動物的免疫力。因此，Pf原噬菌體的整合和Pf噬菌體在生物膜形成過程中的激活對于銅綠假單胞菌的致病生活方式至關(guān)重要。

絲狀病毒基因組相對較?。?lt;15 kb），包含一個保守的核心基因組和一個多樣化的附屬基因組。絲狀病毒的附屬基因組富含各種防御基因，尤其是TA系統(tǒng)。值得注意的是，Pf4 和 Pf6 在其核心基因組區(qū)域表現(xiàn)出驚人的高度相似性（>98% 核苷酸同一性），而其附加TA基因主要存在差異。在 Pf4 原噬菌體的附加基因組中，毒素 PfiT 及其上游抗毒素 PfiA 形成 II 型TA對，pfiT 的缺失會刺激 Pf4 的產(chǎn)生。Pf4 原噬菌體附加基因組中的另一個簇包含一個非編碼 RNA PhrD 和一個逆轉(zhuǎn)錄酶 PfrT，后者可編輯 Pf4 噬菌體基因組，從而促進在生物膜條件下產(chǎn)生超感染 (SI) 形式的 Pf4。在 Pf6 原噬菌體的附加基因組中，激酶-激酶-磷酸酶 (KKP) TA 系統(tǒng)通過磷酸化宿主沉默子 MvaU 來調(diào)節(jié)原噬菌體的活化，并提供對裂解性噬菌體感染的防御。有趣的是，無論宿主細胞中存在單側(cè)還是雙側(cè)原噬菌體，病毒與宿主的比例始終保持在約2:1。這些發(fā)現(xiàn)表明Pf4和Pf6與其宿主建立了互利共生關(guān)系。然而，這兩個原噬菌體在Pf激活過程中是競爭性發(fā)揮作用還是協(xié)同作用尚不清楚。

在本研究中，研究了Pf4和Pf6原噬菌體之間的相互作用，重點關(guān)注核心區(qū)噬菌體蛋白及其調(diào)控元件。與預期的阻遏蛋白和抗阻遏蛋白或復制起始蛋白之間存在特異性相互作用相反，研究發(fā)現(xiàn)Pf4核心區(qū)蛋白RepG4 (PA0717) 能夠觸發(fā)Pf6中KKP TA模塊的毒性。這是通過KKP抗毒素PfpC的降解，釋放PfkA和PfkB的毒性來實現(xiàn)的。這種相互作用在生物膜形成過程中協(xié)調(diào)兩種噬菌體的釋放，從而有助于維持多溶源性和致病性。

圖1 RepF4 控制 Pf4，而 RepF6 控制 Pf6 原噬菌體基因組復制

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本期編輯：Chem LT