研究發現噬菌體協助細菌之間建立“界限”

　　細菌是“高情商”的生物，懂得“社交”。他們以團結協作的群體形式生活在自然環境中，以抵抗來自外界環境的壓力。同一細菌群體中還存在自我識別能力，可以區分哪些是同一家族，同時共同抵抗“異族”。具有擴散能力的化學信號分子和細菌的表面受體可作為細菌群體識別的語言和工具。

　　噬菌體是地球上數量最多的一種細菌病毒。噬菌體的生存依附于細菌，但它的繁殖和擴散又依賴于細菌的死亡。噬菌體與細菌永不停息的相愛相殺共同譜寫了生物進化的篇章，而廣泛使用的限制性內切酶和CRISPR系統是二者相愛相殺的最好證據。

　　日前，中國科學院南海海洋研究所王曉雪課題組和賓夕法尼亞州立大學Thomas Wood 課題組在4月16日的Cell Reports 雜志上報道了細菌游動過程中使用感染它們的病毒（即噬菌體）進行自我識別的新方式。這是細胞使用病毒將自己與近源的競爭對手區分開來的第一個證據。

　　研究的想法開始于王曉雪等準備運動平板，科研人員發現當把不同大腸桿菌 K-12 BW25113菌株接種在同一運動平板上時，經過一段時間，菌株在相遇的區域建立起一道“防御線”，形成了一道類似于“國界”的分界線（圖1，紅色箭頭）。

　　為了揭示分界線形成的機制，科研人員對已有的大腸桿菌K-12突變文庫的4296個單基因敲除的菌株進行篩選。幸運的是，他們發現當細菌中攜帶的突變影響到噬菌體復制所需的基因，分界就完全消失了。研究人員推測，“分界線”可能是通過烈性噬菌體引起的細胞裂解形成的。

　　對邊界線處的群體進行研究發現，在長期的進化過程，一個類似于T1的噬菌體（重新命名為SW1）被細菌捕獲，將其基因組整合到了細菌基因組上。在運動平板上，當攜帶SW1噬菌體的大腸桿菌與不攜帶SW1噬菌體的大腸桿菌相遇時，一部分細菌中SW1噬菌體會重新被激活，重新釋放到環境中，去攻擊不帶有此噬菌體的細胞（外族，沒有標記“SW1”）并殺死這些細胞，從而在“交戰區”形成了沒有活細菌而存在大量活躍的SW1的透明區，也就是平板上看到的分界線（demarcation line）（圖2A）。

　　分界線一旦形成，界內的細菌可以在這道屏障的保護下進行繁殖和搜尋營養物質，互不干擾。而攜帶有SW1噬菌體的細菌可以幫助細菌抵御其它噬菌體的入侵（圖2B），并在特定的情況下提供爭奪營養的優勢條件。

　　利用王曉雪等前期構建的大腸桿菌K-12中9個隱匿型噬菌體的缺失突變株（Wang et al., 2010 Nature Communications）進行檢測時，研究人員發現其中1個古老的隱匿型噬菌體CPS-53攜帶的YfdM蛋白，是負責細菌自我識別的關鍵蛋白。他們發現，將攜帶SW1的細菌細胞暴露在YfdM中，會刺激噬菌體顆粒的產生，并導致缺乏SW1細胞的裂解。相反的，較高濃度的YfdM或噬菌體顆粒會在細菌細胞之間產生更為明顯的分界線（圖2C）。

　　研究結果表明，SW1通過使用宿主中的CPS-53神秘防御蛋白YfdM進行控制“分界線”的形成。而神秘的防御蛋白來自于一個更加古老的噬菌體。

　　這種新的自我識別機制允許細菌群體與“親屬”進行交流，同時對抗“外族”，這種交流在對營養需求、毒力表達、密度感應和生物膜形成中可能非常重要。細菌能夠通過化學信號的交流將自己與其他細菌區分開來，這項新的研究展示了細胞利用病毒來區分自己和周圍環境中密切相關的細菌。因此，應該重新評估病毒與其細胞宿主之間的關系，因為病毒感染可能在某些競爭條件下對宿主更為有利。

圖1 大腸桿菌自我識別的“分界線”（紅色箭頭）

圖2 SW1病毒對大腸桿菌競爭優勢的貢獻。（A）游動過程中，無SW1病毒的細菌與攜帶SW1的細菌相遇，被對方釋放出的SW1裂解，從而形成分界線；（B）攜帶SW1病毒在其他噬菌體入侵時為細菌提供保護；（C）原噬菌體CPS53的YfdM促進SW1的繁殖。