Sci Adv | 毒素-抗毒素系统通过化学计量比重构调控温和噬菌体激活

在微生物世界中，温和噬菌体与宿主细菌之间形成了一种微妙的共生关系。以铜绿假单胞菌为例，其携带的溶原Pf丝状噬菌体的激活是生物膜中最显著的特征之一。这一温和噬菌体的激活赋予了宿主菌抵抗真核宿主的免疫吞噬和清除。Pf的大量激活也会形成特殊的束状的液晶结构，增强生物膜的抗生素抵抗能力，是宿主菌发挥毒力和引发反复性感染的核心过程。但这些原噬菌体如何在生物被膜中被激活的机制有待阐明，对这一过程的认知对于解决临床的生物膜感染有重要的指导意义。

毒素-抗毒素（Toxin-Antitoxin System,TA）系统是细菌中普遍存在的遗传模块，传统观点认为这类系统的调控主要依赖于不稳定的抗毒素被蛋白酶选择性降解，从而释放稳定的毒素。中国科学院南海海洋研究所王晓雪团队近年来在Pf噬菌体调控领域取得了一系列进展，先后报道了Pf6原噬菌体编码的三组分TA系统KKP（PfkA-PfkB-PfpC）通过磷酸化控制溶原—裂解转换（Nat Commun, 2024），以及Pf4与Pf6噬菌体通过RepG4-PfpC轴实现分子对话（Nat Commun, 2025）。然而，Pf4原噬菌体自身编码的TA系统PfiAT的调控机制及其在噬菌体产生中的具体功能，仍有待阐明。

2026年4月3日，该团队在Science Advances上发表题为Phosphorylation of PfiA Modulates Pf4 Phage Production through PfiA/PfiT Stoichiometric Reconfiguration in Pseudomonas aeruginosa 的研究论文，揭示了Pf4噬菌体编码的PfiAT系统采用了不同于经典模型的调控策略。

游离毒素池：维持溶原状态的关键

在pfiAT TA操纵子中，pfiA与pfiT基因共转录且拥有相同的核糖体结合位点，在mRNA和蛋白水平上，毒素蛋白和抗毒素蛋白保持1：1的水平，且抗毒素蛋白稳定性与毒素相当。然而，研究团队解析PfiAT复合物2.3 Å分辨率的晶体结构后发现，抗毒素PfiA与毒素PfiT以6:4的化学计量比组装成十聚体复合物，这是目前已知同家族中最大的二元复合物。这意味着在蛋白表达水平相当的情况下，这种组装模式会导致一部分PfiT毒素无法被PfiA抗毒素结合，从而在胞质中形成游离毒素池。功能实验表明，这些游离毒素通过一种类似质粒“分离后致死效应”(Post-segregational killing, PSK) 的机制抑制Pf4原噬菌体的切除，使噬菌体维持在溶原状态。当敲除pfiT或截短其C端延伸时，突变菌株在生物膜发育早期即可产生大量噬菌体，证实了游离毒素池对溶原维持的关键作用。

磷酸化修饰驱动TA化学计量转换

研究团队发现，共定位于同一宿主基因组的Pf6原噬菌体编码的激酶PfkA/PfkB可磷酸化PfiA抗毒素的T5位点。磷酸化模拟突变（T5D）导致PfiAT复合物从107.7 kDa的十聚体（T:A= 4:6）转变为41.5 kDa的四聚体 (T:A = 2:2)，同时丧失DNA结合能力和转录抑制活性。更重要的是，这一重排过程需要招募胞质中的游离PfiT，从而有效消耗了毒素池，解除了对原噬菌体切除的抑制，最终诱导Pf4噬菌体产生。相比之下，磷酸化模拟突变S7D和S67D则不影响复合物的化学计量比，表明T5位点的磷酸化具有特异性功能。

结构分析揭示复合物组装与调控机制

进一步解析了磷酸化修饰抗毒素对PfiAT复合物的组装模式的影响。结构分析显示，PfiT毒素的C端拥有一个由15个氨基酸组成的额外α螺旋，该螺旋像“塞子”一样插入由五个α螺旋形成的桶状空腔中，对维持TA复合物十聚体结构具有重要作用。当截短该C端延伸时，复合物急剧缩小为26.2 kDa的PfiA₂PfiT₁异源三聚体，且完全丧失DNA结合能力。

T5位于两个相邻PfiA二聚体的相互作用界面上，参与形成由V3、T5和P30构成的疏水堆叠网络。磷酸化引入的负电荷破坏了这一相互作用，导致复合物解聚重排。此外，研究团队在PfiA的N端发现了一个之前未被表征的DNA结合结构域，命名为PAD（PfiA-like Antitoxin DNA-binding）结构域。在PfiA₆PfiT₄复合物中，三个PfiA二聚体协同识别启动子区的三个不同DNA区域，这种多价结合模式有助于提高转录抑制的特异性。值得注意的是，PfiA抗毒素须与PfiT形成复合物才能结合自身启动子，这与大多数II型TA系统中抗毒素可单独结合DNA的经典特征有所不同。

从“降解”到“重构”：TA系统调控的新视角

该研究揭示了一种TA系统的新型调控机制，即通过翻译后修饰改变毒素与抗毒素的化学计量比，从而调控游离毒素的水平，进而影响下游生物学过程。这一发现为温和噬菌体的溶原-裂解转换提供了新的调控视角。结合该团队此前报道的KKP TA系统与RepG4-PfpC调控轴，两者共同构成了两个“姐妹原噬菌体“之间较为完整的分子对话网络，揭示了共存于同一宿主基因组中的两个原噬菌体如何在生物膜发育过程中实现有序激活与协同释放，从而协同促进宿主菌在真核宿主中的生存能力。针对KKP的活性设计激酶抑制剂，是控制生物膜发育的有效干预策略。

中国科学院南海海洋研究所王晓雪研究员为论文通讯作者，陈冉助理研究员为论文第一作者。

图1. PfiAT操纵子的调控机制图

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aeb5480

制版人： 十一

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