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噬菌体和细菌在人类肠道中相互作用
转载 发布时间:2022-09-08 浏览次数: 62 来源: 生物医学科研之家

核心提示:噬菌体依赖于易感细菌进行复制和存活。噬菌体的绝对丰度意味着细菌和噬菌体之间的相互作用可能是生物圈中最频繁的生物事件。感染过程可能因病毒分类群而异,但通常是以细菌细胞为代价发生的,要么通过裂解,要么通过用病毒基因组阻碍细菌细胞与其自身一起复制。


  背景

  噬菌体依赖于易感细菌进行复制和存活。噬菌体的绝对丰度意味着细菌和噬菌体之间的相互作用可能是生物圈中最频繁的生物事件。感染过程可能因病毒分类群而异,但通常是以细菌细胞为代价发生的,要么通过裂解,要么通过用病毒基因组阻碍细菌细胞与其自身一起复制。后一种情况可能看起来不是特别麻烦,特别是因为噬菌体基因组可以扩大细菌细胞可利用的基因库,可能增强其适应性。但即使在这些被动状态下,噬菌体仍保留诱导细胞裂解的可能性。生物圈中每天有20%至50%的细菌死于噬菌体裂解,对细菌基因组的调查表明,近一半的已测序细菌在其染色体内含有至少一个整合的噬菌体元件。许多关于肠道噬菌体生态动力学的假设最初来自海洋病毒体研究。肠道病毒的宏基因组测序显示,肠道微生物群及其病毒动力学充满了不同于许多海洋范式的特质,并促使我们重新审视肠道内细菌和噬菌体之间的关系。

  简介


  2022年6月30日,来自爱尔兰科克大学的Andrey N. Shkoporov及其团队在Nat Rev Microbiol (IF: 34.209)杂志上发表名为Mutualistic interplay between bacteriophages and bacteria in the human gut的研究[1]。

  主要结果
       在单个细菌细胞的水平上,很清楚为什么噬菌体经常被描述为细菌细胞应该避免的捕食者或寄生虫。然而,单个细菌细胞和噬菌体颗粒应始终被视为更大群体的组成部分,这些群体几乎相同 (同基因)但仍然具有遗传多样性,这些群体本身通常存在于其他细菌和噬菌体物种的更大分类多样性群落中。在群体水平上考虑细菌噬菌体相互作用可以显著改变对噬菌体细菌相互作用结果的感知 (图1)。例如,具有流产感染系统的细菌在噬菌体感染后会自杀。如果仅在单个细胞的水平上考虑,这种细胞自杀除了作为一种分子报复形式之外几乎没有意义。当在细菌细胞群体水平上考虑时,单个细胞牺牲的利他功能是显而易见的。受感染细胞的死亡阻止了噬菌体复制周期的完成和病毒子代的释放,病毒子代可能继续感染同一群体的其他成员。通过在种群或群落水平上考察细菌噬菌体相互作用的其他方面,我们开始挑战这样一种观点,即这些关系完全是由噬菌体杀死其所有细菌宿主的贪得无厌的欲望所驱动的,相反,我们发现了一种互利共存的情况。


  图1. 噬菌体与细菌相互作用的结果

  通过噬菌体与后生动物宿主本身的相互作用,诱导可以进一步使细菌种群受益 (图2),特别是因为它涉及免疫系统。铜绿假单胞菌具有丝状前噬菌体Pf,是病毒科的一员,可慢性感染其多种毒株。当免疫细胞摄取噬菌体颗粒时,细胞内产生的Pf RNA会抑制吞噬作用。因此,在伤口模型中建立感染所需的铜绿假单胞菌剂量要低约50倍。铜绿假单胞菌在肠道中并不常见,但可能是胃肠道疾病的偶发病原体。许多肠道细菌,包括大肠杆菌、肠炎沙门氏菌和霍乱弧菌,也含有丝状噬菌体,而在许多肠道病毒体数据集中也发现了病毒科噬菌体的基因组特征。尽管这些病毒与胃肠道免疫反应之间的关系仍有待确认,但已发现在肠道内诱导其他噬菌体会影响哺乳动物宿主。在最近的一项小鼠研究中,来自平肠球菌的前噬菌体的诱导通过与噬菌体尾带测量蛋白的相互作用调节宿主T细胞应答。在另一个例子中,感染从患有炎症性肠病的个体中分离出的大肠杆菌的尾状病毒噬菌体导致Peyer贴剂中CD8+ T细胞和产生干扰素-γ (IFNγ)的CD4+ T细胞的丰度增加。研究作者观察到噬菌体T4的类似结果,表明这种效应可能与更大范围的尾卵菌噬菌体有关。此外,噬菌体或其DNA与树突细胞孵育导致产生细胞因子,如IL-6、IL-10、IL-12和IP10,并导致CD4+ T细胞以TLR9依赖性方式产生IFNγ (TLR9可感应病毒和细菌DNA)。在小鼠结肠炎模型中给予这些噬菌体导致症状加重,表明噬菌体可以刺激炎症反应。在体外,噬菌体可对外周血单核细胞产生促炎和抗炎作用。


  图2. 细菌种群受益于噬菌体的存在

  最近的研究表明,噬菌体作为DNA转移载体和HGT的介质可能比既往认识到的发挥更重要和更广泛的作用。到目前为止,人们已经认识到两种主要的转导类型。第一种是由pac型噬菌体介导并依赖于细菌染色体DNA中假pac位点的广义转导。广义转导通过头部包装机制导致长DNA链的低频包装。第二类是由cos-型温带噬菌体介导的特异性转导,涉及通过不精确地切除前噬菌体来包装与噬菌体附着位点 (attB)直接相邻的基因。特化和泛化转导都是罕见和散发的。最近,在沙门氏菌属和葡萄球菌属的温带噬菌体中证实了第三种类型的转导,被称为侧向转导 (图3)。这种新的机制似乎是普遍的,并赋予了将基因组标记从前噬菌体整合位点转移数百千碱基的能力,其转移速率是广义转导的1000倍。尽管噬菌体作为HGT载体在肠道微生物群中的作用是可无争议的,但相对于与裸DNA的缀合和转化,整体HGT中的哪一部分由转导介导的问题仍有待回答。


  图3. 三种类型的噬菌体转导

  结论及展望在人类肠道微生物群等复杂微生物群落中,噬菌体和细菌之间的关系正在显现出一幅更为复杂的图景。尽管最初希望使用噬菌体对微生物群进行高度靶向编辑 (通过去除不需要的细菌类群),但基于噬菌体是细菌的凶猛捕食者的传统观点,但许多此类噬菌体干预措施均未成功。这种失败可能是对噬菌体生态学和肠道中噬菌体宿主相互作用的不完全理解的结果。我们提出,尽管单个噬菌体对单个细菌具有明显的自私和剥削性质,但噬菌体和细菌在种群水平上共同进化,以从它们的共生中受益。由噬菌体选择压力引起的细菌基因型和表型多样化,使用噬菌体裂解作为对抗竞争者的武器或与后生动物宿主相互作用的手段,以及通过噬菌体转导获得更广泛的泛基因组,都为细菌种群提供了独特的益处。从复杂微生物群落的角度来看,噬菌体的作用似乎更为重要。可以准确地预测,人类微生物群中细菌种群的功能受到它们与噬菌体的持续接触的影响,并且在没有它们的伴侣噬菌体的情况下研究体外或体内细菌的特性会对单个微生物或微生物群落的功能性产生扭曲的观点。有了这种关于噬菌体在微生物群中作用的新观点,人们可以想象噬菌体的替代应用,例如使用噬菌体在损伤后恢复微生物群的复杂性、使用完全的粪便病毒转移、噬菌体的共同移植,以及使用HGT利用噬菌体操纵微生物群中的微生物基因组。

  参考文献:1.Shkoporov Andrey N,Turkington Christopher J,Hill Colin,Mutualistic interplay between bacteriophages and bacteria in the human gut.[J] .Nat Rev Microbiol, 2022, undefined: undefined.

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