【LorMe周刊】活下来：肠道中噬菌体-细菌的协同进化

作者：杨可铭，南京农业大学博士在读。主要研究利用噬菌体防治土传病害。

周刊主要展示LorMe团队成员优秀周报，每周定期为您奉上学术盛宴！本期周刊介绍于肠道中新发现的一个噬菌体与细菌动态协同进化的模型。原文来自于2019年发表在Gut microbes上的《"I will survive": A tale ofbacteriophage-bacteria coevolution in the gut》。

导读

此前的研究表明对噬菌体而言，细菌是一种进化力量，通过增强其遗传变异性来推动噬菌体宿主范围的扩大。本文通过研究噬菌体-细菌的协同进化揭示细菌的遗传变异性在噬菌体捕食的压力下也会增加，而这又与环境中微生物的多样性有关。这里提出了一个噬菌体-细菌侵染网络动态扩展延伸的模型。研究表明，噬菌体-细菌的共进化动态是平行延续和不断分化的，以产生和维持肠道微生物的多样性和平衡。

假说：微生物区系驱动噬菌体适应

前期研究发现宿主为大肠杆菌LF82的噬菌体P10无法侵染大肠杆菌MG1655，但是，当MG1655与LF82在正常的小鼠肠道内共进化后，P10可以侵染MG1655，然而，当MG1655与LF82在体外共进化或者仅这2株菌在小鼠肠道内定殖时，并没有观察到这种现象。也即是说，这种宿主跳跃现象仅发生在肠道环境中。

图1 仅发生于肠道中的宿主跳跃现象（De Sordi L et al. 2017 Cell Host & Microbe）

本文对此提出假设：噬菌体亚群的基因组分化取决于所遇细菌的多样性，使得微生物群落成为产生病毒多样性的理想位点。细菌群体在肠道环境内对特定生态位的占据产生单个或混合细菌群体的结构化网络，可能促进噬菌体种群分化为具有不同感染性特征的多个亚群。

肠道中细菌的遗传抵抗力

从小鼠粪便中分离得到MG1655和适应后的P10具有不同的相互侵染关系。

图2 5株MG1655菌株与5株P10噬菌体的侵染关系

这五种菌株的基因组在waaZ基因中呈现不同的突变，其编码参与核心脂多糖（LPS）的生物合成途径的蛋白质。这可能是刚成为宿主的的MG1655在噬菌体选择压力下适应性进化的第一步。而其他基因的突变可能与细菌通过改变受体防御噬菌体侵染的策略有关。

图3 5株MG1655菌株的基因变异

同时也分析了5株噬菌体的突变，1号噬菌体突变最多，同时也是侵染能力最强的。这表明1号噬菌体具有最快的宿主适应能力。变异位点主要在4个基因区域，其中gp37与侵染能力有关，gp90和gp91与尾部纤维蛋白有关。

图4 5株P10噬菌体的基因变异

接下来，通过一个时间移位实验，鉴定了宿主跳跃现象发生前，发生时和发生后的噬菌体-细菌的交互侵染能力。这表明肠道中的噬菌体适应导致两步共同进化途径，军备竞赛最初的特征在于细菌抗性的快速发展，然后是噬菌体适应性的“精炼”，即缩小宿主范围，增加侵染能力。

图5 噬菌体-细菌的进化动力学

噬菌体-细菌共同进化的模型

根据以上结果，归纳出一个模型：起初（从下往上），有3类不同的细菌，他们对某个黄色噬菌体有不同抗性。接着绿色的细菌中进化出了有抗性的浅绿色亚群。橙色细菌中进化出了易被侵染的浅橙色亚群。于是绿色的细菌附近的噬菌体进化成可以侵染浅绿色亚群的绿色噬菌体，或者发生宿主跳跃，进化成能够侵染浅橙色细菌的噬菌体。

图6 噬菌体-细菌共同进化的模型的示意图

总结

在肠道微生物群落的共同进化过程中，噬菌体适应宿主和细菌产生抗性所需的时间、频率和条件在很大程度上仍然是不可预测的。然而，本文提出，噬菌体群落在控制细菌种群方面发挥着至关重要的作用，既可以通过促进异质微生物分化，也可以通过灵活的方式适应易感细菌的丰富和多样性。或许正是如此，才避免了病毒和细菌伴侣的灭绝或异常增殖，从而维持了肠道环境的相对稳定和健康。

参考文献："I will survive": A tale ofbacteriophage-bacteria coevolution in the gut

期刊：Gut microbes (2019)

DOI: 10.1016/j.chom.2017.10.010

关键词：噬菌体；细菌；进化动力学；军备竞赛；宿主跳跃

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