聽！噬菌體在說話！ | CASE報科學

提到溶原性（lysogenic）噬菌體，大家第一個應該都會想到λ 噬菌體（λ phage）吧！ λ 噬菌體專門感染大腸桿菌（E. coli），它在進行溶原性感染時，會將 ... 老葉的植物園 醫學&基因  2017年03月09日2018年07月13日 CASEPRESS λ噬菌體,噬菌體,大腸桿菌,病毒 撰文｜葉綠舒 提到溶原性（lysogenic）噬菌體，大家第一個應該都會想到λ噬菌體（λphage）吧！λ噬菌體專門感染大腸桿菌（E.coli），它在進行溶原性感染時，會將自己的基因體插入大腸桿菌的特定位置，接著就跟著大腸桿菌一起複製。

溶原性循環可以一直持續下去，直到大腸桿菌遭遇到生存危機，這時λ噬菌體便馬上翻臉，進入溶解循環（lyticcycle）：先把自己的基因體由大腸桿菌中脫離，接著開始製作新的病毒顆粒，最後溶解大腸桿菌、釋放出新的病毒顆粒來！簡單來講就是：只可共享樂，不願共患難。

說它是大腸桿菌的損友，真的是當之無愧呢！ 目前對λ噬菌體如何由溶原循環進入溶解循環，已經相當了解。

如：大腸桿菌遇到生存危機時，會啟動SOS反應，這時候大腸桿菌的RecA蛋白活化，接著去啟動另一個蛋白LexA的「自毀」...但在有λ噬菌體潛伏的大腸桿菌中，RecA不會去啟動LexA的自毀，而是改為啟動潛伏在大腸桿菌中λ噬菌體的 cI蛋白，使λ噬菌體進入溶解循環。

至於其他的溶原性噬菌體呢？不太清楚。

不過，最近以色列的研究團隊，在試圖了解細菌被噬菌體感染是否會釋放什麼警告因子時，發現有一種溶原性噬菌體竟然會互相聯絡，決定要不要進入溶解循環！ 故事的主角是枯草桿菌的噬菌體phi3T。

本來研究團隊要找的是「細菌」分泌的警告分子，所以他們找了四種噬菌體，以一比一的比例感染長到指數期中期（mid-log）的枯草桿菌。

感染三小時後，把細菌與噬菌體去掉，留下上清液當作條件培養基，用來做後續的實驗。

結果發現，當研究團隊把phi3T養在phi3T條件培養基裡面的時候，被溶解的細菌少了很多。

而且如果把phi3T養在其他噬菌體的條件培養基裡面的話，被溶解的細菌的比例便會跟初次感染相同。

這結果意味著：有特定物質存在於條件培養基中，而且這個物質只對自己有用（有專一性）。

這物質是什麼呢？過去對細菌的研究發現，細菌之間會利用小分子的多肽來感應彼此的存在；那麼phi3T是否也是以多肽來互通聲息呢？如果是多肽，當研究團隊以蛋白酶處理過的條件培養基來培養噬菌體時，細菌溶解的比例應該會上昇。

結果也的確是這樣。

而且，當研究團隊把細菌運送小分子多肽的運輸蛋白 oppD 去掉以後，細菌溶解的比例也上昇了，顯示條件培養基裡面的確存在著小分子多肽，這個多肽的功能與phi3T能否進入溶原循環有關。

於是作者將這個未知的多肽取名為arbitrium（拉丁文的「決定」）。

為了進一步研究這個分子，研究團隊將phi3T的基因體給定序了（才十二萬八千個鹼基對，小意思）。

軟體分析預測phi3T噬菌體有201個基因，其中只有三個帶有胺基端的信息多肽。

這三個有信息多肽的基因中，其中有一個最有可能用來產生小分子多肽；以質譜儀分析條件培養基也確認了arbitrium應該就是由這個基因產生的一個六個胺基酸的多肽，其序列為SAIRGA。

進一步用人工合成這個多肽加入培養基中，也產生相同的效果；而且還發現最有效的濃度落在500nM，可使細菌溶解的比例由18%上昇到48%。

由於噬菌體總是會把功能相關的基因放在基因體的附近，因此研究團隊便把眼光移到這個基因（命名為 aimP）的上下游。

在它的上游有個基因可能是個細胞內多肽受器，而分析的結果發現：這個基因的確是AimP蛋白的受器，於是命名為 aimR。

進一步分析aimR基因的蛋白質序列，顯示它可能會跟DNA結合。

研究團隊測試發現，只有在沒有aimP多肽時，aimR才會形成雙體、與 aimP 下游的一段序列結合。

當aimR與 aimP 下游的一段序列結合後，下游的基因（命名為 aimX）表現便上昇了；若aimP多肽存在時，aimR與aimP多肽結合後，無法與aimP下游的序列結合，則aimX的表現量便急遽下降到原來的二十分之一。

總而言之，在感染初期，噬菌體很少、細菌很多的時候，這時因為aimP多肽的量也很少，於是大部分的aimR便形成雙體、結合在 aimP 下游的序列上，使 aimX 表現。

於是噬菌體便不斷的進行溶解循環，產生新的噬菌體顆粒。

等到噬菌體越來越多，aimP多肽的量也開始上昇，越來越多的aimR與aimP多肽結合、離開 aimP 下游的序列，於是 aimX 表現量下降，進入溶原循環的噬菌體就越來越多。

有意思的是，在phi3T噬菌體發現這個現象以後，研究團隊分析許多枯草桿菌屬的噬菌體序列，發現有不少噬菌體可能都有類似的機制來調節溶原-溶解循環呢！究竟 aimX 的作用是什麼呢？目前只知道它會使phi3T噬菌體進入溶解循環，也就是說它可能具有抑制溶原循環的功能。

這個基因只有51個胺基酸，下游的序列形成一個RNA的次級結構。

究竟 aimX 是如何影響phi3T？它下游的RNA次級結構又有什麼樣的功能？這些都有待後續的研究。

小分子多肽賀爾蒙從原本被認為是真核生物的溝通分子、後來在細菌（原核生物）的群體感應（quorumsensing）也軋一角、現在連噬菌體也用它，生物真是奇妙啊！   參考文獻：ErezZ.et.al., Communicationbetweenvirusesguideslysis-lysogenydecisions.Nature.541,488–493(26January2017)doi:10.1038/nature21049 -- 作者：葉綠舒　慈濟大學生命科學系助理教授，科教中心特約寫手，從事科普文章寫作。

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