发现噬菌体之间的通信机制

研究团队发现，感染枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）的温和噬菌体phi3T在感染过程中会释放一种短肽（6个氨基酸），该肽被命名为“arbitrium”（拉丁语意为“决定”）。该肽在感染过程中逐渐积累，并被后续感染的噬菌体感知，从而影响其是否进入溶原状态。 

图1. 条件培养基对噬菌体phi3T感染动力学的影响 

arbitrium系统的组成与功能

该通信系统由三个基因组成：

aimP：编码arbitrium肽的前体蛋白，该蛋白被分泌并在细胞外被加工为成熟肽。

aimR：编码一个胞内受体，能特异性结合arbitrium肽，并调控下游基因表达。

aimX：编码一个负调控因子，抑制溶原化，促进裂解周期。

当arbitrium肽浓度较低时，AimR以二聚体形式结合在噬菌体DNA上，激活aimX的表达，从而抑制溶原化，促进裂解。当肽浓度升高并与AimR结合后，AimR从DNA上解离，aimX表达被抑制，噬菌体更倾向于进入溶原状态。

肽浓度与感染阶段的关系

实验显示，arbitrium肽的浓度随着感染轮次的增加而升高。在感染初期，肽浓度低，噬菌体倾向于裂解宿主细胞；而在感染后期，肽浓度升高，后续感染的噬菌体更倾向于溶原化。这种机制使噬菌体能够“感知”其前辈的感染历史，从而做出适应性决策。

噬菌体特异性通信密码

研究发现，不同噬菌体编码不同序列的arbitrium肽，形成一套“通信密码”。例如，phi3T的肽为SAIRGA，而spBeta噬菌体的肽为GMPRGA。这些肽只能激活其对应噬菌体的AimR受体，不能交叉激活其他噬菌体的系统。这种特异性确保了不同噬菌体之间的通信互不干扰。

AimR的结构与功能机制

实验表明，AimR在缺乏肽时以二聚体形式存在并结合DNA；而在与arbitrium肽结合后，AimR解离为单体，失去DNA结合能力。这种构象变化是其调控aimX表达的关键机制。

aimX的功能与形式多样性

aimX在phi3T中编码一个短蛋白，但在其他噬菌体中可能以非编码RNA形式存在。无论形式如何，aimX的表达均受arbitrium系统调控，并在抑制溶原化中发挥核心作用。

系统的广泛存在与进化意义

通过对公共数据库的搜索，研究者在112个噬菌体或前噬菌体中发现了arbitrium系统的同源基因，表明这一通信机制在噬菌体中广泛存在。尽管肽序列多样，但其在特定位置保留保守的氨基酸（如第5位为Gly，第6位为Gly或Ala），显示出一定的进化约束。

生物学意义与策略逻辑

该通信机制使噬菌体能够根据环境中宿主细胞的可用性调整其生命周期策略。在宿主充足时，裂解周期有利于快速增殖；而在宿主稀缺时，溶原化可确保其基因组在宿主中稳定存在并随宿主繁殖。这种“群体感应”式的策略提高了噬菌体在动态环境中的生存与传播效率。

对病毒学和合成生物学的启示

该研究不仅拓展了我们对病毒行为的理解，也为合成生物学提供了新的调控元件。arbitrium系统可作为可编程的感应-响应模块，用于设计人工基因线路或调控细胞命运。

综上，这项研究首次揭示了病毒之间通过小分子肽进行通信的机制，提出了“arbitrium”系统这一概念，并阐明了其在调控噬菌体生命周期中的关键作用。这一发现不仅深化了我们对病毒生态和进化的认识，也为未来开发基于噬菌体的治疗手段和生物工程工具提供了理论基础。

参考文献：

10.1038/nature21049