噬菌体的生存智慧：如何巧妙躲避自身免疫系统的攻击

研究人员发现，金黄色葡萄球菌噬菌体80α中的ith-1基因（之前被注释为切除酶xis）并不编码切除酶。

实验中，80αΔith-1突变噬菌体在诱导后滴度大幅下降，表明ith-1并非切除酶。此外，80αΔith-1感染的细胞形成的噬菌斑明显小于野生型，而80αΔint（整合酶突变体）的噬菌斑大小与野生型相似，进一步证明ith-1不参与噬菌体的切除过程。通过qPCR分析，研究人员发现80α和80αΔith-1在诱导后都能正常从染色体上切除，而80αΔint则不能。这些结果表明ith-1基因的功能并非之前认为的切除酶，而是与噬菌体的其他功能相关

研究人员进一步研究了Tha-1的抗噬菌体特性。他们将tha-1基因克隆到质粒上，并用一系列噬菌体进行挑战实验。结果显示，pTha-180α对多种温和噬菌体（Siphoviridae）具有强烈的抗噬菌体抵抗力，但对远亲的裂解性噬菌体（Myoviridae）没有作用。此外，研究人员还发现，许多噬菌体含有与80α相似的ith-1/tha-1基因结构，而另一组噬菌体（如ΦNM2）含有ith-2和tha-2基因，这些基因在数据库中更为常见。研究人员将ΦNM2的Tha-2克隆到质粒上，发现pTha-2ΦNM2也能保护细胞免受多种噬菌体的侵袭，且与pTha-180α具有不同的特异性。这些结果表明Tha-1和Tha-2是两种不同的抗噬菌体系统，它们通过识别不同的尾蛋白来激活，从而保护宿主细胞免受噬菌体的侵袭。

研究人员通过生物信息学分析发现，Tha-1包含一个C末端的HEPN超家族结构域，该结构域通常是非特异性RNase，也是III-A型CRISPR-Cas系统中的抗噬菌体效应因子。他们进一步验证了Tha-1的RNase活性：使用AlphaFold2预测Tha-1的二聚体结构，发现HEPN区域的二聚体具有高置信度，而N末端区域的置信度较低。通过DALI搜索，研究人员发现Tha-1 HEPN二聚体与已知的HEPN RNase毒素具有结构相似性。研究人员还通过实验验证了Tha-1的非特异性RNase活性：在共表达Tha-1和ORF61的细胞中，rRNA发生了非特异性降解，而Tha-1的催化突变体（Tha-1 H270A）则没有这种活性。此外，研究人员还发现，Tha-1的毒性是可逆的，因为在诱导ORF61表达后，细胞的存活率迅速下降，但在3小时后仍有部分细胞能够恢复生长。这些结果表明Tha-1通过其HEPN结构域的RNase活性来抑制宿主细胞和噬菌体的复制。

研究人员发现，Tha-1和Tha-2分别被其对应的Ith-1和Ith-2蛋白抑制。他们通过一系列实验验证了这一点：在感染Φ7206的实验中，研究人员发现，当细胞中表达野生型Ith-1或重编码的Ith-1时，Tha-1的保护作用被抑制，而Ith-1的终止密码子突变体（Ith-1M1*）则不能抑制Tha-1。此外，研究人员还发现，Ith-1在感染早期表达，足以保护感染的噬菌体免受Tha-1的免疫作用。研究人员还发现，Tha-1和Tha-2的抑制具有特异性，即每个Tha蛋白只能被其对应的Ith蛋白抑制，而不是非对应的Ith蛋白。这些结果表明Ith蛋白在噬菌体生命周期中起着关键的免疫逃逸作用。

研究人员发现，ith-1和tha-1基因位于一个非连续操纵子中，这种基因结构有助于在溶源期和裂解期之间切换Tha-1的活性。在溶源期，cI启动子驱动的tha-1表达较高，而ith-1表达较低；在裂解期，cI启动子关闭，ith-1表达增加，从而抑制Tha-1的活性。研究人员通过一系列突变体实验验证了这一点：他们发现，只有在野生型非连续操纵子结构中，Tha-1才能在溶源期保护细胞免受噬菌体感染，同时在裂解期避免自身免疫反应。这些结果表明，非连续操纵子结构对于Tha-1系统的正确调节至关重要，它使得噬菌体能够在不同生命周期阶段平衡免疫和自身免疫反应。

来源：

10.1038/s41564-024-01661-6