鞭毛噬菌体：常见但多样化的宿主相互作用策略

许多噬菌体(噬菌体)与鞭毛相互作用，并依靠细菌运动成功感染宿主。然而，关于噬菌体如何进化以识别和结合鞭毛和随后的表面受体以进行噬菌体DNA注射的信息有限。本文以一些经过充分研究的噬菌体为例，介绍了目前对鞭毛噬菌体的认识，以揭示细菌宿主识别的分子细节;讨论了球状暴露的鞭毛蛋白结构域和鞭毛糖基化在噬菌体与鞭毛结合中的作用的最新进展。此外，还介绍了负责与宿主相互作用的各种类型的表面受体和噬菌体成分。最后，指出了仍有待回答的问题以及研究这组独特噬菌体的新方法。

一、鞭毛是一种多样化的结构

鞭毛是一种大型多蛋白复合物，由马达(膜复合物)、柔性钩和鞭毛蛋白丝组成。鞭毛蛋白丝由数千个鞭毛蛋白单体组成。鞭毛的数量、位置和组成因细菌种类而异：鞭毛可以随机分布在细菌表面(鞭毛，如沙门氏菌和大肠杆菌)，并以单个或多个团块(多毛菌，如幽门螺杆菌)或仅存在于细胞的两极(极性，如霍乱弧菌和新月弧杆菌)。此外，还存在不同的运动重新定位策略。

二、鞭毛噬菌体识别的鞭毛成分

透射电子显微镜显示，大多数鞭毛噬菌体在不同位置与鞭毛相互作用，保持充满DNA的头部，而在细菌体中观察到空头的噬菌体，通常在鞭毛基部，这促成了鞭毛噬菌体沿着鞭毛易位到达细菌体的结论，在那里它们与表面受体相互作用并发生DNA注射。由于鞭毛蛋白单体的表面暴露结构域在序列上高度多样化，并且可能含有聚糖，因此鞭毛蛋白单体和聚糖都可能被认为是噬菌体受体。噬菌体Chi可以通过与鞭毛丝和多钩结合来感染大肠杆菌、沙门氏菌。噬菌体Cb13和CbK使用头丝与鞭毛相互作用，然后通过噬菌体尾纤维不可逆地附着在表面受体上。弯曲杆菌噬菌体F341还使用短的远端尾纤维与其宿主的鞭毛。

三、鞭毛噬菌体识别的表面受体

最近研究表明，噬菌体Chi感染依赖于ABZ-TolC复合物，这是一种外排泵，可延伸到整个细胞包膜以输出许多化合物。噬菌体CbK使用IV型菌毛作为二级受体，并且噬菌体DNA被建议通过菌毛门户转移，即菌毛复合体的跨膜部分。噬菌体sv771与脂多糖(LPS)结合，酶切LPS糖以进入外膜并注入DNA。

四、鞭毛噬菌体中的受体结合蛋白

根据与鞭毛和表面受体相互作用的成分，鞭毛噬菌体可分为两组。一些噬菌体使用尾部纤维与表面受体结合。在这种情况下，只有当尾纤维与鞭毛分离或附加的尾纤维与表面受体结合时，才有可能与次级受体接触。其他噬菌体使用两种独立的成分，如噬菌体CbK和Cb13.它们用柔软的头丝结合鞭毛，而尾纤维与表面菌毛受体相互作用。

五、鞭毛噬菌体领域的展望

文献中描述了许多鞭毛噬菌体，但揭示宿主识别分子细节的数据仅适用于其中的少数，仍有尚待回答的问题。一个明显的问题是，当使用表面受体注射噬菌体DNA时，为什么有效的鞭毛噬菌体感染需要鞭毛和鞭毛运动。一个常见的假设是，双峰吸附过程大大增加了到达次级表面受体的机会。事实上，有人认为，与旋转鞭毛的相互作用可以增加噬菌体的靶标范围，并且一旦附着，噬菌体可以通过沿细丝的易位而不是通过随机扩散被引导到次级表面受体另一种假设是，鞭毛相互作用诱导鞭毛噬菌体尾部底板的构象变化，鞭毛噬菌体与尾纤维结合到表面受体。通过先进的显微镜实时可视化噬菌体沿鞭毛丝的易位对于验证这些假设至关重要。这也将为噬菌体如何从鞭毛转移到宿主表面提供新的见解。为了阐明“螺母和螺栓”机制，开发了噬菌体Chi的流体动力学模型，该模型提出，噬菌体尾纤维紧紧地包裹在鞭毛表面，由于沟槽屏蔽，可以在不干扰鞭毛周围粘性流动的情况下实现有效的易位。

另一个重要的问题是哪些表面成分形成鞭毛噬菌体受体。在这里，主要障碍是无法在不影响运动性的情况下产生鞭毛突变体，这是证明鞭毛噬菌体感染的关键特征。此外，鞭毛蛋白单体的翻译后糖基化通常对于鞭毛组装至关重要。噬菌体受体通常通过表征噬菌体抗性突变体在体外鉴定。然而，运动性丧失通常是在体外观察到的针对鞭毛噬菌体的主要耐药机制。基于在软琼脂中接种的新方法允许分离运动噬菌体F341、Chi和sv771抗性变体从而鉴定出这些噬菌体识别的二级表面受体。这些结果证明了开发这种方法来鉴定其他鞭毛噬菌体的受体。

最后，哪些基因编码鞭毛噬菌体基因组中的RBP？噬菌体RBP具有非凡的结合特异性，可用于设计用于治疗感染、生物防治和诊断的产品。因此，确定鞭毛噬菌体中编码RBP的基因是有意义的，因为鞭毛是致病菌中最重要的毒力因子之一。然而，RBPs的计算机预测受到鞭毛噬菌体的巨大核苷酸序列多样性的阻碍。最近开发的基于序列的预测蛋白质结构的工具，如AlphaFold2和用于识别RBP的预测建模程序，有望帮助鉴定鞭毛噬菌体的RBP。

结论：鞭毛是细菌运动和毒力所必需的结构，被鞭毛噬菌体识别为受体。本文提供了四种不同的鞭毛噬菌体的例子，并证明了存在高度不同的初始噬菌体-宿主相互作用策略。但为了填补目前对嗜鞭毛噬菌体理解的主要知识空白，还需要使用多学科方法和先进技术对更多鞭毛噬菌体进行详细研究。

参考文献：Gambino M, Sørensen MCH. Flagellotropic phages: common yet diverse host interaction strategies. Curr Opin Microbiol. 2024 Apr;78:102451. doi: 10.1016/j.mib.2024.102451. Epub 2024 Mar 6. PMID: 38452595.