核心提示：细菌进化出了广泛的防御机制，以防止其寄生虫——噬菌体的感染。毒素-抗毒素(TA)系统是遍布细菌和古细菌的小型基因座，在某些情况下提供噬菌体防御。
细菌进化出了广泛的防御机制，以防止其寄生虫——噬菌体的感染。毒素-抗毒素(TA)系统是遍布细菌和古细菌的小型基因座，在某些情况下提供噬菌体防御。最近噬菌体防御系统的发现已经发现了多种具有抗噬菌体活性的新型TA系统。由于固有的毒性，TA系统被认为介导流产感染(Abi)，其中宿主细胞在噬菌体感染、去除噬菌体和保护克隆的兄弟姐妹时死亡。然而，最近的研究揭示了噬菌体激活TA系统的分子机制，它们如何介导毒性，以及噬菌体如何逃脱防御。这些新模型揭示了噬菌体-宿主相互作用的惊人复杂性，并提供了进一步的证据，证明TA系统并非在所有情况下都固有执行经典的流产感染，这表明需要一个进化的概念定义。
毒素-抗毒素(TA)系统作为噬菌体防御的媒介，通常被认为是编码毒素和拮抗抗毒素的小基因座。根据相关结构将其分类为家族，并根据其组成部分之间的相互作用将其分类。通过证明I型TA系统Hok/Sok抑制T4繁殖，TA系统首次参与噬菌体防御;II型TA系统通过MazEF抑制P1;III型系统ToxIN显示出抑制多个噬菌体;IV型AbiEi/AbiEii系统类似地在乳酸乳球菌中提供噬菌体防御。流产感染(Abi)系统本身是一组不同的系统，已被鉴定为通过对受感染的宿主强制细胞死亡来提供噬菌体防御。在经典的Abi模型中，噬菌体会像正常感染一样吸收和注射DNA，但后期感染阶段受到抑制，导致更少或零个噬菌体子代和宿主细胞杀伤。因此，细胞死亡将噬菌体从环境中移除，并保护细菌种群。正如不是所有的TA系统都能与噬菌体防御联系在一起一样，也不是所有的Abi系统本身就是TA系统。此外，尽管最近的文章有时声称TA介导的噬菌体防御是通过Abi过程发生的，但这被认为是毒素活性和感染中启动的噬菌体的结果之间的混淆。与此同时，早期感染噬菌体产物可能通过一系列过程(如染色体降解)迅速杀死细胞，这些过程依赖于TA系统毒性导致细胞死亡。
那么，毒素-抗毒素介导的噬菌体防御是如何激活的呢?研究人员认为，虽然与噬菌体毒素-抗毒素系统有关的TA基因座的数量继续增加，但支撑其激活的机制细节相对难以捉摸。目前，在噬菌体防御的背景下，也只确定了少数特定的激活途径，因此将其归纳为以下三种模式：直接释放毒素、转录关闭以及逆转录激活。毒素-抗毒素介导的噬菌体防御的作用模式，则是通过各种方式影响细胞生长。细胞生长减少被认为会通过Abi机制导致噬菌体防御，另外，新的研究也提出了TA系统提供防御的更具体的机制，例如对噬菌体DNA复制的干扰、干扰翻译或影响整体响应等。
而随着细菌进化出新的TA系统模式，噬菌体也在进化以抵消或规避这些防御的元件。这种关系是整个微生物组中噬菌体防御系统以及TA系统令人难以置信的复杂性和多样性背后的驱动力。尽管许多研究省略了TA系统逃逸，但科学家们利用噬菌体逃逸提供了有价值的见解。根据近些年的研究发现，早期噬菌体基因的突变能够阻止毒素-抗毒素系统的激活;另一方面，整合到宿主基因组中的前噬菌体也可以对宿主的毒素-抗毒素系统进行引导;而对于单一的毒素-抗毒素系统，噬菌体也可以为之进化出不同的逃逸机制，以避免TA系统的影响。
近年来，已经有越来越多的研究证明多种TA系统可以提供噬菌体防御。虽然让人深受启发，但是绝大多数的研究都是探索性的。在未来的研究中，还需要对已知的TA系统进行更加深入的探索，揭示噬菌体防御的奥秘。
参考文献
[1] Kelly A, Arrowsmith TJ, Went SC, Blower TR. Toxin-antitoxin systems as mediators of phage defence and the implications for abortive infection. Curr Opin Microbiol. 2023 Mar 21;73:102293. doi: 10.1016/j.mib.2023.102293. Epub ahead of print. PMID: 36958122.
