细菌抗噬菌体感染分子机制 - 疾病监测

摘要：细菌与噬菌体间是一种寄生关系,一方面细菌抵抗噬菌体感染,另一方面噬菌体也产生抗宿主菌防御的改变。

本文从细菌的被动免疫、主动防御方面综述了多种细菌抵抗 ...   疾病监测  2015,Vol.30Issue(8):679-682 扩展功能   把本文推荐给朋友   加入我的书架   加入引用管理器   EmailAlert 文章信息 蒋羽,李伟,范蒙光 JIANGYu,LIWei,FANMeng-guang 细菌抗噬菌体感染分子机制 Molecularmechanismsofbacteriaresistanceagainstphageinfection 疾病监测,2015,30(8):679-682 DiseaseSurveillance,2015,30(8):679-682 10.3784/j.issn.1003-9961.2015.08.017 文章历史 收稿日期：2015-06-04 引用本文0 蒋羽,李伟,范蒙光.细菌抗噬菌体感染分子机制[J].疾病监测,2015,30(8):679-682. JIANGYu,LIWei,FANMeng-guang.Molecularmechanismsofbacteriaresistanceagainstphageinfection[J].DiseaseSurveillance,2015,30(8):679-682. 细菌抗噬菌体感染分子机制 蒋羽1,2,李伟2,范蒙光3     1.内蒙古医科大学,内蒙古呼和浩特010110;2.中国疾病预防控制中心传染病预防控制所,传染病预防控制国家重点实验室,北京102206;3.内蒙古自治区地方病防治研究中心,内蒙古呼和浩特010110 收稿日期:2015-06-04 基金项目：国家重大科学仪器设备开发专项——核酸微全分析仪病原菌分子分型应用开发(No.2012YQ09019706). 作者简介:蒋羽,女,内蒙古包头市人,硕士研究生,主要从事鼠疫菌分子分型研究工作 通信作者：李伟,Tel:010-58900770,Email:[email protected] 摘要：细菌与噬菌体间是一种寄生关系,一方面细菌抵抗噬菌体感染,另一方面噬菌体也产生抗宿主菌防御的改变。

本文从细菌的被动免疫、主动防御方面综述了多种细菌抵抗噬菌体的分子机制。

这其中既包括细菌生物膜的物理阻隔作用,也包括吸附抑制、注入阻滞、限制修饰系统、流产感染等机制,还包括新近发现的细菌的适应性免疫-CRISPR-Cas系统以及噬菌体排除系统。

细菌与噬菌体间的竞争,不仅是自身选择压力的结果,也是彼此共进化的动力。

关键词： 细菌    噬菌体    抵抗    相互作用    机制     Molecularmechanismsofbacteriaresistanceagainstphageinfection JIANGYu1,2,LIWei2,FANMeng-guang3     1.InnerMongoliaMedicalUniversity,Hohhot010110,InnerMongolia,China;2.StateKeyLaboratoryforCommunicableDiseasePreventionandControl,ChineseCenterforDiseaseControlandprevention,Beijing102206,China;3.InnerMongoliaAutonomousRegionResearchCenterforEndemicDiseasePreventionandTreatment,Hohhot010110,InnerMongolia,China Abstract:Parasiticrelationshipexistsbetweenbacteriaandphages,ononehand,bacteriaresisttheinfectionfromphages,onanotherhand,phagesdeveloptheabilitiesagainsthostbacteria.Thispapersummarizesseveralkindsofmolecularmechanismsrelatedtopassiveadaptationandactivedefenseonbacteriaresistancetophageinfection,includingphysicalbarrier,adsorptioninhibition,preventingphageDNAinjection,restriction-modificationsystemandabortiveinfection,aswellasadaptiveimmunesystem-CRISPR-Cassystemandbacteriophageexclusionsystemnewlyfoundinmanybacteria.Thecompetitionbetweenbacteriaandphagesisnotonlytheresultoftheirownselectionpressure,butalsothedynamicsoftheirco-evolution. Keywords:Bacteria    Phage    Resistance    Interaction    Mechanisms     细菌与噬菌体间是一种寄生关系[1]。

从病毒的角度而言，噬菌体利用宿主资源在细菌胞内增值后，将新一代病毒扩散到细菌群体中导致宿主损害甚至死亡。

但一些噬菌体的溶源感染也会给宿主菌带来一些生存或适应优势[2]。

噬菌体可分为烈性噬菌体(virulentphage)和温和噬菌体(temperatephage)两种类型。

烈性噬菌体其生活周期包括吸附、 注入、繁殖、释放等过程，进而裂解细菌；温和噬菌体进入细菌后将自身DNA整合到宿主菌染色体中，并随宿主菌增殖而传给下一代[3]。

细菌和噬菌体相互作用过程中，细菌发展出多种抗噬菌体感染的能力，另一方面噬菌体也产生抗宿主菌防御的一些改变。

细菌与噬菌体之间的这种“军备竞赛”(armrace)不仅是自身压力选择的结果，也是彼此共同进化的动力。

细菌抗噬菌体感染的主要防御策略包括被动免疫和主动防御两大类。

1被动免疫 物理阻隔：细菌细胞外结构不仅有利于细菌在恶劣环境中存活，对阻止噬菌体侵染也起一定作用。

如某些固氮菌可产生藻酸盐，增加细菌对噬菌体的抵抗。

此外，许多细菌的荚膜如链球菌中的透明质酸也可以抵御噬菌体的侵蚀[4]。

细菌生物膜(bacterialbiofilms)是细菌分泌的包绕细菌外表面的集群生物细胞结构，主要成分包括胞外多糖基质(exopolysaccharide)、脂蛋白、纤维蛋白。

细菌生物膜结构致密，可以隐蔽一些噬菌体受体，抵抗噬菌体感染[1]。

胞外多糖不仅可以增强细菌抵抗抗生素的能力，还可以阻止噬菌体进入细胞。

此外生物膜屏障中通常含有蛋白水解酶和纤维素内切酶，这些酶类可以直接使噬菌体失活。

2主动防御 2.1吸附抑制 噬菌体吸附宿主菌的部位和受体不同，由此决定了噬菌体的宿主特异性。

这些受体包括细菌表面的磷壁酸、多糖、脂多糖或蛋白质等。

还有一些噬菌体吸附于宿主菌的菌毛，如铜绿假单胞菌噬菌体MPK7和M22可以利用Ⅳ型菌毛作为它们的受体，当铜绿假单胞菌缺乏pilA基因时，可以产生对噬菌体MPK7和M22的抵抗[5]。

宿主菌最有效且简单的噬菌体抵抗机制是通过突变、隐蔽、降解受体分子来阻止噬菌体吸附。

空肠弯曲菌噬菌体F336可结合带有甲氧基氨基磷酸酯(MeOPN)修饰的空肠弯曲菌荚膜多糖，当编码MeOPN的转移酶中的高突变基因cj1421由9个G突变为10个G时，就会有无效基因产物产生，空肠弯曲菌便对噬菌体F336具有了抗性[6]。

SPC35是T5大肠埃希菌噬菌体，BtuB外膜蛋白是SPC35的受体，面对噬菌体SPC35的感染，T5大肠埃希菌BtuB外膜蛋白表现出很高的突变率。

如插入序列IS2插入BtuB基因可改变其蛋白结构，从而产生对抗噬菌体的作用，这种突变可遗传[7]。

还有一些细菌通过基因的可逆性修饰，改变细菌的表面受体分子，促使细菌快速适应环境的变化。

例如，细菌重组酶的帮助下，通过改变启动区的方向、开放阅读框重复序列等方式暂时使噬菌体受体基因沉默，进而改变细菌表面受体来抵抗噬菌体的感染。

如流感嗜血杆菌DNA多聚酶在重复序列区的滑移(slippage)可以改变其噬菌体HP1c1的受体组成基因lic2A改变，使该菌成为噬菌体抗性菌株[8]。

此外一些细菌通过受体抑制物的合成或利用，竞争性地阻止噬菌体与其受体结合。

如，有些肠杆菌在周围营养缺乏的条件下还会释放小诺霉素J25(microcinJ25)，它可以与大肠埃希菌外膜蛋白FhuA结合，进而影响大肠埃希菌噬菌体T1、T5和φ80与宿主菌FhuA受体的吸附，从而抵抗噬菌体感染[8]。

群体感应(quorumsensing，QS)是通过信号分子浓度来决定启动或是抑制一系列基因的表达，是细菌间信息交流的重要方式。

已经有明确的证据表明大肠埃希菌有以群体感应系统介导的抗噬菌体感染能力，主要表现在群体感应会抑制编码与鞭毛形成有关的基因表达，减少大肠埃希菌噬菌体的吸附位点[9]。

2.2注入阻滞 注入阻滞是由质粒或前噬菌体编码的蛋白发挥阻滞DNA注入宿主菌的作用，是细菌抗噬菌体的第二层手段。

温和噬菌体整合入细菌宿主染色质中后，具有抵抗同种或有近缘关系的噬菌体重复感染的能力，这个过程称为超感染排除(superinfectionexclusion,Sie)[2]。

这种机制最初在T样噬菌体与大肠埃希菌之间发现。

T4噬菌体宿主大肠埃希菌有两套Sie系统(即Imm系统,Sp系统，分别由imm基因和sp基因编码)。

Imm系统改变DNA注入位点构象来阻止外源DNA进入体内。

Sp系统通过抑制溶菌酶对肽聚糖的降解活性来防止噬菌体DNA入侵。

这种机制在其他细菌中也存在，如嗜热链球菌的一个前噬菌体具有类Sie系统，前噬菌体TP-J34编码的142-氨基酸脂蛋白不仅可以阻止噬菌体DNA进入宿主细胞，当该系统被转移入乳酸菌中，还可以对乳酸菌噬菌体抵抗[4]。

2.3限制修饰系统 当噬菌体吸附并将DNA注入宿主菌后，在噬菌体尚未复制之前，针对噬菌体DNA的胞内抵抗就开始了[8]。

限制-修饰系统(Restriction-Modification,R-M)是细菌一种广泛地针对靶向DNA的免疫系统。

到目前为止，在已测序的细菌和古细菌的基因组中，超过90％都含有R-M系统[10]。

该系统包含2种酶：限制性内切酶和甲基转移酶。

细菌通过内切酶裂解外源DNA。

而细菌又通过甲基转移酶通过对其自身DNA中的内切酶识别序列中的腺嘌呤和胞嘧啶的甲基化修饰，进而保护自身DNA不被裂解。

目前发现有4种限制-修饰系统(TypeⅠ-Ⅳ)，这4种R-M在酶的活力、辅酶因子、识别序列和切割位点上各不相同。

Ⅰ类酶识别未甲基化基因，需要ATP,S-腺苷蛋氨酸(SAM)和Mg2+，他们在远离识别位点的不同区切割DNA[1]。

与Ⅰ型和Ⅲ型相比，Ⅱ型R-M系统不需要ATP,并且在固定位置对DNA进行切割，大都与限制性位点相近，其数量最多，需要Mg2+作为辅助因子[2]。

Ⅲ系统含有可以编码限制性内切酶的res基因和DNA甲基转移酶的mod基因[2]，Ⅲ型酶在识别位点的下游25~27bp进行切割，并需要ATP、SAM和Mg2+的辅助[1]。

Ⅳ型酶仅识别修饰过(甲基化，羟甲基化，葡糖基羟甲基化)的DNA，可以在识别位点对DNA链切割2次，需要Mg2+，与其他型相比，它只切割修饰过的DNA[2]。

虽然限制-修饰系统在细菌内普遍存在，但该系统对细菌而言并不是必需的，因为在该系统有缺陷的菌株中噬菌体感染易感性也很弱。

链霉菌存在一种类似于R-M的系统的噬菌体生长限制(phagegrowthlimitation，Pgl)机制。

该机制主要有4种基因(PglX、PglW、PglY、PglZ)[11]。

当噬菌体φC31感染Pgl+链霉菌时，PglW(一种含有典型的Hanks样蛋白激酶域的假定丝氨酸蛋白激酶)可能通过磷酸化作用将信号传递给其他Pgl蛋白，激活PglXDNA甲基化酶作用，抵抗噬菌体[12]。

2.4流产感染系统 流产感染(abortiveinfection，Abi)是指当噬菌体成功注入DNA后，其繁殖受到阻断，导致子代噬菌体繁殖和释放失败,从而避免其他细菌被噬菌体感染。

与其他抵抗机制相比，这种系统在摧毁噬菌体的同时最终会导致宿主细菌的死亡，但是通过这种牺牲个体的方式可以保护细菌群体。

流产感染有的干扰噬菌体DNA复制及RNA转录，有的影响外壳的产生及DNA包装。

溶原性大肠杆菌中发现的Rex系统是一种流产感染机制[4]。

该系统包含2种可以抵抗噬菌体的蛋白：RexA和RexB蛋白。

当宿主菌受到噬菌体感染时，噬菌体蛋白-DNA复合体就会激活RexA。

RexA作为胞内感受器，进而激活锚定在膜上的RexB。

RexB作为一种离子通道可以降低膜电势，使胞内ATP水平降低，减少大分子的合成，这时，噬菌体的复制因缺少ATP或缺少依赖ATP合成的胞内组分而停止[4]。

该系统仅在乳酸乳球菌中就包含至少23种(AbiA-U)。

AbiA,AbiF,AbiK,AbiP,和AbiT可以用于干扰噬菌体DNA的复制，其中乳酸菌AbiP可以抑制噬菌体基因早期到中期的转录而影响DNA的复制[13]。

AbiV可以与感染细菌的噬菌体蛋白SaV作用，阻止噬菌体蛋白合成与基因后期转录[14]。

乳酸乳球菌中的AbiQ可以改变相应噬菌体mRNA的早期表达，强烈抑制噬菌体P008，噬菌体Bl170,以及噬菌体c2的复制[14]。

在原核生物中普遍存在的细菌毒素-抗毒素(toxin-antitoxin，TA)系统也属于Abi系统[15]。

以结核分枝杆菌为例，在受到噬菌体的感染时，结核分枝杆菌染色体上毒素-抗毒素系统(mazEF)中毒素mazF的表达被加强，抗毒素mazE的表达被抑制，细菌在mazF蛋白的毒性作用下菌体死亡，形成流产感染。

2.5适应性免疫——CRISPR-Cas系统 CRISPR(clusteredregularlyinterspacedshortpalindromicrepeats，规律成簇的间隔短回文重复序列)的典型特征是相同重复片段彼此之间间插间区序列(spacers)。

CRISPR在近一半细菌和所有的古细菌中都存在[16]。

CRISPR序列也成为目前基因改造和基因缄默的工程工具[17]。

当噬菌体感染细菌，一些细菌会在靠近CRISPR序列前导区处插入一段和噬菌体序列一致的间区序列[18]，当相同噬菌体再次感染时，细菌的CRISPR-Cas相关基因产物(CRISPR-associatedproteins)，利用间区序列介导产生一种CRISPRRNA前体转录子(pre-crRNA)，之后被加工成小的CRISPRRNA分子(crRNA)，利用类似RNA干扰(RNA-interference-like)的机制启动诱导细菌崩解入侵的噬菌体核酸[19,20]。

细菌的这种获得性免疫能力是居于核酸的，因此这种免疫可“遗传”[21]。

CRISPR-Cas系统在提高细菌的适应性的同时也可以提高种群的整体抗噬菌体水平，具有CRISPR-Cas系统的细菌在进化中更有优势[8]。

噬菌体排除系统BREX(bacteriophageexclusion)是最近在蜡样芽孢杆菌中新被发现的噬菌体抵抗系统。

约10%细菌群体基因中具有该系统。

由6个基因组成。

把蜡样芽孢杆菌中完整的BREX克隆入缺少BREX的枯草芽孢杆菌BEST7003中，发现带有BREX系统的枯草芽孢杆菌可以抵抗大部分(7/10)枯草芽孢杆菌毒性或温和噬菌体的感染。

该系统不影响噬菌体的吸附但可以阻止噬菌体DNA复制。

用温和噬菌体Φ3T对枯草芽孢杆菌进行感染发现，带有BREX系统的菌株并不会将噬菌体序列整合入宿主菌。

研究发现该系统通过对细菌基因中非回文TAGGAG基序的甲基化来识别自身序列或异己序列，从而使BREX系统具有噬菌体感染作用。

与限制修饰不同的是，噬菌体DNA并不会被切割或降解[22]。

3噬菌体抗宿主菌防御的一些改变 面对细菌的防御抵抗，噬菌体也进化出一系列对应变化。

如面对固氮菌产生的藻酸盐，噬菌体F116会产生一种藻酸盐裂解酶，解除藻酸盐的物理阻隔。

一些噬菌体还可以通过产生多糖裂解酶或多糖水解酶来裂解胞外多糖(EPS)[4]，消除生物膜的阻碍作用。

噬菌体还可通过多种方式逃避R-M系统，如靶序列突变、抑制限制性内切酶、合成可以水解R-M因子的酶(如AdoMet)。

博得特菌(Bordetellaspp.)噬菌体编码自身甲基转移酶差异反转录因子(diversity-generatingretroelements，DGRs)，通过DGRs使噬菌体与不同的细菌表面结构相互作用，促进噬菌体的吸附。

面对流产感染机制，噬菌体orf38基因的突变可以使其避免AbiQ[14]。

对于CRISPR-Cas免疫而言，噬菌体仅通过原型间隔序列单点突变可克服这种免疫，如噬菌体通过自身编码CRISPR-Cas系统干扰宿主的抗病毒系统，完成裂解循环[23]。

4展望 噬菌体和细菌间的持续性进化形成了微生态群体。

细菌通过抵抗噬菌体来获得其他菌群不具备的生存优势，从而更好地适应环境，同时，噬菌体也通过改变细菌的基因影响着细菌进化和生理活动。

无论是细菌抵抗噬菌体还是噬菌体吞噬细菌，现在所研究的噬菌体大多为双链DNA噬菌体，单链DNA或RNA、双链RNA噬菌体的研究还很少，因此目前所发现的细菌抗噬菌体机制还只是其中的一部分。

此外，细菌和噬菌体种群间的相互配合与协调，对细菌种群的影响以及在外界环境生存优势等还有待进一步研究。

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