通讯作者：陆军军医大学基础医学院微生物学教研室副教授，博导，国家重点研发计划青年科学家项目负责人，中国生物工程学会噬菌体技术专委会秘书长，重庆英才青年拔尖人才。长期从事噬菌体的基础和临床应用研究，发现了多种细菌抵抗噬菌体的新机制，并参与了我国第一项噬菌体治疗临床试验，发表了我国第一篇噬菌体治疗临床试验的SCI论文。

https://doi.org/10.1073/pnas.2319790121

摘要：噬菌体在调节微生物生态中起着至关重要的作用。在人类微生物组中，影响噬菌体和细菌长期共存的因素仍然很少被研究。糖菌(以前称为TM7)是人类口腔微生物群中普遍存在的成员。这些超小型细菌与宿主细菌形成附生关系，影响宿主细菌的生理机能。在这里，我们发现在表面相关生长过程中，人类口腔糖细菌分离物(命名为TM7x)保护其宿主细菌，一株噬牙沙利亚菌株(命名为XH001)免受裂解噬菌体LC001的捕食。RNA-测序分析在XH001中发现了一个与细胞壁多糖(CWP)的生物发生有关的预测功能的基因簇，当与TM7x形成共生时，其表达显著下调。通过基因工作，我们实验证明了CWP基因簇的表达通过影响噬菌体结合对细菌-噬菌体相互作用的影响。体外协同进化实验进一步表明，与TM7x相关的和不含TM7x的XH001异质群体对LC001的捕食表现出不同的敏感性，促进了细菌和噬菌体的共存。我们的研究强调了细菌、附生生物和噬菌体之间的三方相互作用。更重要的是，我们提出了一种机制，即附生共生体介导的宿主细菌基因表达调节，影响其对噬菌体捕食的敏感性，并有助于在生物膜中形成噬菌体和细菌之间的“源-库”动态，促进它们在人类微生物群中长期共存。

主要内容：

1. 宿主细菌XH001在不同的生长模式下对噬菌体LC001捕食的敏感性不同

当XH001处于生物膜状态时，噬菌体能高效地感染XH001，并在双层琼脂平板上形成清晰的噬斑。然而，当XH001处于浮游生长状态或与TM7x形成共生关系时，它能够有效抵抗噬菌体LC001的感染（图1A）。吸附实验的结果表明，TM7x的存在显著阻止了噬菌体LC001对宿主细菌XH001的吸附（图1B）。为了更直观地观察这一现象，研究者还利用荧光显微镜和冷冻电子断层扫描（cryo-ET）技术进行了观察，结果进一步证实了噬菌体LC001无法与TM7x共生的宿主细菌XH001结合（图1C和D）。

图1 TM7x保护宿主细菌免受噬菌体捕食

2、调节宿主细菌中与噬菌体吸附相关基因的表达来实现对噬菌体的防御

由于TM7x/XH001共生的培养物表现出异质性，其中包含了附着TM7x和不附着TM7x的XH001亚群。为了进一步探索TM7x对XH001噬菌体敏感性的影响，研究者从共培养物中分离出了3个丢失TM7x的XH001菌落(图2A和2B)。通过吸附实验和噬斑实验，研究者发现这些失去了TM7x保护的宿主细菌XH001可以被LC001吸附(图2C)，并且对噬菌体捕食很敏感(图2D)。这些结果表明，TM7x的存在并非诱导宿主细菌XH001发生噬菌体抗性基因突变来提供保护，推测其可能通过调节宿主细菌中与噬菌体吸附相关基因的表达来实现对噬菌体的防御。

图2 丢失TM7x的XH001对噬菌体LC001敏感

3、CWP基因簇通过促进细菌与噬菌体结合来促进LC001的感染性

研究者进一步通过转录组测序和分析发现，当XH001与TM7x形成共生关系时，一个与革兰阳性菌细胞壁多糖（cell wall polysaccharides， CWP）生物合成相关的基因簇（APY09_00485-00540）显著下调。为了验证这一基因簇在噬菌体感染过程中的具体作用，研究者在宿主细菌XH001中构建了一个CWP过表达菌株（命名为XH001::CWP）。随后，通过吸附实验和噬斑实验发现CWP基因簇的过度表达使XH001即使与TM7x形成共生时，也能被噬菌体LC001吸附和感染(图3)。这些数据表明，CWP基因簇通过促进细菌与噬菌体结合来促进LC001的感染性。

图3 XH001中CWP基因簇的过表达对噬菌体LC001敏感性的影响

4、“Source-Sink”的动态模型

尽管TM7x在实验室条件下作为寄生菌会对宿主细菌XH001的生长产生负面影响，但在复杂的微生物生态系统中，它却为宿主带来了意想不到的益处。当在试管中静态培养时，XH001存在不同的生长模式，包括生物膜状态与浮游状态，以及无TM7x寄生与有TM7x寄生的状态。这些不同XH001的细菌亚群对噬菌体LC001感染的敏感性不同。通过体外共进化实验，研究者发现在与TM7x形成共生关系时，XH001的噬菌体敏感亚群和抗性亚群的共存可能会持续支持噬菌体的复制，并促进噬菌体和细菌的长期共存。这反映在当噬菌体与宿主细菌共培养时，XH001在TM7x/XH001中进化所需的传代次数比单独培养XH001时要多。因此，通过构建一种“Source-Sink”的动态模型，TM7x维持了噬菌体与细菌之间的平衡状态，促进两者在人类微生物组中的长期共存。

图4 TM7x调节其宿主细菌的噬菌体抗性，影响细菌-噬菌体相互作用的动力学模型

综上所述，研究者发现表面寄生菌TM7x保护其宿主细菌XH001免受裂解性噬菌体LC001的捕食。通过转录组测序分析，他们发现了一个与CWP合成相关的基因簇，该基因簇在与TM7x形成共生关系时显著下调。而过表达这个基因簇使XH001在TM7x存在时能被噬菌体LC001感染。体外共进化实验的结果进一步揭示了与TM7x相关的XH001和与TM7x无关的XH001的异质性群体，对LC001的不同敏感性有助于细菌和噬菌体的共存。