重磅 | 中国科学院王晓雪研究发现丝状病毒核心基因与辅助毒素-抗毒素系统之间的串扰介导多溶源性

2025年8月7日，中国科学院南海海洋研究所王晓雪唯一通讯在Nature Communications在线发表题为“Crosstalk between inovirus core gene and accessory toxin-antitoxin system mediates polylysogeny”的研究论文。该研究揭示了 Pf4 核心区蛋白 RepG4 (PA0717) 与 Pf6 辅助 KKP（激酶-激酶-磷酸酶）毒素-抗毒素模块之间的相互作用，该模块负责协调它们的增殖。

多溶源性是指单个细菌基因组中同时存在多个原噬菌体，这种现象在细菌病原体中很常见，可增强其毒力和基因组可塑性。丝状病毒（丝状噬菌体）在主要病原体中通常以多个拷贝存在，从而导致多溶源性。两种高度相似的丝状噬菌体（Pf4 和 Pf6）整合到广泛分布的模型铜绿假单胞菌菌株中，并且两种原噬菌体在生物膜形成过程中均被激活。目前尚不清楚这两种原噬菌体是竞争性还是协同性发挥作用。

RepG4参与Pf4噬菌体的复制，通过降解磷酸酶抗毒素，以剂量依赖性方式触发KKP激酶介导的毒性。这种串扰充当了分子制动器的作用，阻止了Pf4的过量产生，并在生物膜成熟过程中协调了Pf4和Pf6噬菌体的释放。本研究结果为理解噬菌体核心基因和辅助基因之间的紧密调控在共存原噬菌体之间建立互利共生关系中的重要性提供了宝贵的见解。

噬菌体与其宿主之间存在着捕食者-猎物关系。温和噬菌体可以保持原噬菌体状态，与宿主染色体同步复制，也可以进入裂解周期，产生病毒体。先前的分析表明，包括大肠杆菌、沙门氏菌、假单胞菌和李斯特菌在内的病原体通常携带多个原噬菌体，从而导致多溶源性。原噬菌体的多样性通常编码了病原体的进化历史，并反映了其对混杂生活方式的适应性。当单个原噬菌体在压力或特定环境条件下被激活时，它可以调节共存原噬菌体的活性，诱导其切除或抑制其表达。原噬菌体的溶源性-裂解性转化通常受噬菌体阻遏物和抗阻遏物的调控。先前的研究表明，抗阻遏物可以作用于非同源阻遏物，从而为串扰奠定了基础，这种串扰可以协调多溶源性沙门氏菌中多个原噬菌体的诱导。原噬菌体间竞争的另一个调控模块涉及一个转录因子，该转录因子指导一个小蛋白使原噬菌体阻遏物失活，从而导致其自身原噬菌体的特异性激活。

丝状病毒（Inoviruses），又称丝状噬菌体，广泛存在于各种环境中，并能感染多种细菌宿主，包括霍乱弧菌和铜绿假单胞菌。比较基因组学研究表明，丝状病毒在主要病原体中具有较高的流行率，并且这些病毒通常在同一宿主细胞内存在多个拷贝。与Lambda等温和噬菌体（通常在激活后引发宿主快速裂解）不同，丝状病毒会建立慢性感染，并通过非裂解性的“出芽”机制持续释放病毒子代。目前尚不清楚共存的丝状原噬菌体在病原噬菌体激活过程中是竞争性地发挥作用还是协同作用。

每个原噬菌体都携带独特的辅助基因，这导致了细菌基因组的镶嵌性。遗传内容、整合位点和生命周期策略的差异使原噬菌体能够在不同的细菌宿主中发挥特定功能，从而影响多种表型特征。例如，原噬菌体编码的毒力因子促进细菌的定殖和存活。原噬菌体是各种防御系统和抗防御系统的储存器，包括限制性修饰系统、毒素-抗毒素 (TA) 系统和抗 CRISPR 系统。在过去的几十年中，这些原噬菌体编码的防御系统已经出现了几种策略，它们通过攻击噬菌体结构蛋白、复制蛋白，甚至灭活宿主细胞表面的噬菌体受体来阻止吸附，从而特异性地靶向溶解性噬菌体感染。在多溶源性病原体中，共存的原噬菌体可以响应外部压力源，将它们之间的相互作用从竞争转变为互利共生，共同对抗入侵者。然而，这些原噬菌体编码的防御系统在多溶源性病原体原噬菌体诱导过程中的功能仍未得到充分探索。

在铜绿假单胞菌的两个亚系中，一个菌株（命名为PAO1）仅含有Pf4原噬菌体，而另一个密切相关的菌株（命名为MPAO1）则携带一个额外的Pf原噬菌体Pf6。重要的是，这两个Pf原噬菌体在MPAO1生物膜形成过程中均被激活。这些Pf噬菌体在介导肺部生物膜形成和毒力方面发挥着关键作用，并且还能通过直接抑制吞噬作用和细菌清除来抑制哺乳动物的免疫力。因此，Pf原噬菌体的整合和Pf噬菌体在生物膜形成过程中的激活对于铜绿假单胞菌的致病生活方式至关重要。

丝状病毒基因组相对较小（<15 kb），包含一个保守的核心基因组和一个多样化的附属基因组。丝状病毒的附属基因组富含各种防御基因，尤其是TA系统。值得注意的是，Pf4 和 Pf6 在其核心基因组区域表现出惊人的高度相似性（>98% 核苷酸同一性），而其附加TA基因主要存在差异。在 Pf4 原噬菌体的附加基因组中，毒素 PfiT 及其上游抗毒素 PfiA 形成 II 型TA对，pfiT 的缺失会刺激 Pf4 的产生。Pf4 原噬菌体附加基因组中的另一个簇包含一个非编码 RNA PhrD 和一个逆转录酶 PfrT，后者可编辑 Pf4 噬菌体基因组，从而促进在生物膜条件下产生超感染 (SI) 形式的 Pf4。在 Pf6 原噬菌体的附加基因组中，激酶-激酶-磷酸酶 (KKP) TA 系统通过磷酸化宿主沉默子 MvaU 来调节原噬菌体的活化，并提供对裂解性噬菌体感染的防御。有趣的是，无论宿主细胞中存在单侧还是双侧原噬菌体，病毒与宿主的比例始终保持在约2:1。这些发现表明Pf4和Pf6与其宿主建立了互利共生关系。然而，这两个原噬菌体在Pf激活过程中是竞争性发挥作用还是协同作用尚不清楚。

在本研究中，研究了Pf4和Pf6原噬菌体之间的相互作用，重点关注核心区噬菌体蛋白及其调控元件。与预期的阻遏蛋白和抗阻遏蛋白或复制起始蛋白之间存在特异性相互作用相反，研究发现Pf4核心区蛋白RepG4 (PA0717) 能够触发Pf6中KKP TA模块的毒性。这是通过KKP抗毒素PfpC的降解，释放PfkA和PfkB的毒性来实现的。这种相互作用在生物膜形成过程中协调两种噬菌体的释放，从而有助于维持多溶源性和致病性。

图1 RepF4 控制 Pf4，而 RepF6 控制 Pf6 原噬菌体基因组复制

本文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-62378-6

本期编辑：Chem LT