作者：侯如娇，南京农业大学硕士在读，主要研究利用噬菌体防治土传病害。
噬菌体与其细菌宿主之间的协同进化是通过抗性和反抗性机制来实现的。为了评估自然种群中噬菌体及宿主细菌的共进化，本研究在5个月时间内从牡蛎养殖场分离出195株厚壁弧菌菌株和243株噬菌体，并将这些菌株与现有厚壁弧菌和噬菌体组合，基于81926个宿主和噬菌体配对交互感染绘制了模块化网络图，探究噬菌体-细菌互作模式的时空变化以及共进化机制。细菌防御机制具有高度多样性，并且在单个基因组内存在多种防御策略。表观遗传和基因组修饰使噬菌体能够适应细菌防御并改变宿主范围。移动基因元件之间频繁的基因交换可以实现细菌防御和噬菌体反防御的进化。
分析宿主-噬菌体相互作用并建立模块化互作网络，研究发现每一簇的噬菌体都能杀死牡蛎单个分支的细菌，只有少数例外。命名噬菌体-细菌聚类为Px_y，其中P表示噬菌体，x表示它们感染的弧菌分支，y表示VIRIDIC属（1到28）（图1）。噬菌体成功感染细菌通常归因于细胞表面存在噬菌体受体，或细胞内的防御机制决定了宿主范围。为了区分这些机制，评估了来自16个簇的代表性噬菌体是否能够吸附到不同宿主表面的受体。结果发现，除了一个噬菌体（P5_16）能吸附到弧菌分支V5和V6的细菌外，大部分噬菌体仅吸附来自其各自分支的细菌（图2）。在同一弧菌分支内，无论子代产生是否引起细胞裂解，噬菌体都会吸附到所有供试菌株上。因此宿主范围可能是由两种连续机制产生。一旦噬菌体成功吸附到细胞上，细胞内防御系统将进一步缩小成功感染和裂解菌株的范围。为了验证这一假设，作者进一步模拟了噬菌体-宿主细菌随时间的动态。
图1 模块化噬菌体-宿主细菌感染网络
图2 噬菌体吸附和细胞死亡是不同的
噬菌体与来自不同区域的细菌之间的交互感染试验表明，同域噬菌体感染宿主的比例高于异域感染宿主的比例（图3a）。此外，检测噬菌体感染细菌模式的时间变化。当代组合（即在同一时间点采集的噬菌体和细菌）的平均噬菌体感染力（即从样本中分离的噬菌体感染和杀死细菌的平均能力）达到峰值，并随着噬菌体与过去或将来更遥远的采样日期采集的细菌共培养，噬菌体数量下降。这些噬菌体适应模式与由共进化动力学驱动的波动选择模型的预测一致，其中噬菌体种群最大程度地适应其同域和当代宿主种群。结果表明，噬菌体和细菌之间的协同进化动态驱动了所观察到的适应模式。
图3 噬菌体在空间和时间上的适应模式
三、宿主-噬菌体相互作用特异性的遗传基础
为了确定细菌中阻止噬菌体感染的假定机制，使用Defense-Finder揭示了大量不同的已知系统，例如限制性修饰系统I型、IV型，基于DNA磷酸化的防御系统Dnd和参与流产感染的各种系统（图4a）。防御系统的数量与细菌基因组大小密切相关，这两个指标与不同噬菌体的数量呈负相关。但当校正菌株的系统发育相关性时，只有防御元件和噬菌体数量的相关性仍然显著（图4b）。
为了确定防御系统的遗传迁移机制，使用PanRGP在物种泛基因组图中识别了基因组可塑性区域（RGPs）。基因组岛通常由MGE（如原噬菌体或结合元件）驱动的水平基因转移产生。试验分析了RGP与MGE功能（结合相关基因、噬菌体功能和整合酶）相关的基因库，结果发现MGE占不到10%的基因，但包含72%的所有防御系统：原噬菌体29%，质粒14%，其他28%（图4c）。MGE在噬菌体抗性的产生中起着重要作用，解释了密切相关菌株之间基因库的许多差异，并编码大多数噬菌体防御基因。
图4 嗜酸链球菌基因组中噬菌体防御系统的分布
进一步分析了抗性菌株（7F1_18）中存在的基因和7个易感菌株中缺失的基因，发现抗性菌株具有特异性的基因大多位于两个不同的区域（R1和R2）。区域R1编码整合酶和重组酶，区域R2编码一个重组酶和一个松弛酶，是一个整合的可移动元件，使用基因敲除来评估这些区域在噬菌体抗性中的作用。试验使用长尾噬菌体P1_12，短尾噬菌体P1_11 pinkand P1_11green感染野生型（wt）7F1_18 宿主菌及其突变体（图5b），其中菌株7F1_18对绿色噬菌体有抗性，但受损，同时对粉红色噬菌体部分敏感。结果表明，噬菌体繁殖强烈依赖于噬菌体和基因敲除的特定组合。绿色噬菌体被R-M III防御系统中和，而粉色噬菌体设法逃脱（图5c）。对R-M III的抵抗可能来自表观遗传修饰，保护粉色噬菌体DNA免受R-M系统内切酶的降解。因此，免疫需要MGE编码多个防御系统来抵抗不同的噬菌体群。
四、噬菌体反防御导致宿主转移
对来自V5的弧菌和来自簇P5_14的噬菌体互作模块化，P5_14噬菌体的子集仅由V5弧菌的子集（V5red）产生，另一个非常密切相关的子集（蓝色组）由另一个不重叠的弧菌集（V5blue）产生（图6a）。为了探究参与P5_14噬菌体防御的宿主机制，重点研究了V5red分支菌株。在5个V5red菌株中发现了104个基因，这些基因在4个V5blue菌株（可被蓝色噬菌体侵染裂解）中缺失。在这些基因中，103个聚集在6个基因组区域（R1到R6）。敲除菌株29_O_45中的区域R5（图6b）导致对所有蓝色噬菌体的敏感性（图6d）。该区域编码来自逆转录酶家族Ec48的双基因噬菌体抗性系统的同源物，然而，虽然在敏感型V5blue宿主中扩培的蓝色噬菌体为1010 PFU·mL-1，但使用缺失逆转录酶基因的V5red突变株 (ΔRetron)仅产生104 PFU·mL-1。在研究解释噬菌体产生差异的额外抗性机制的原因时，发现编码Dnd防御系统的区域R2的额外缺失使V5red突变株（ΔDnd ΔRetron）中蓝色噬菌体的滴度增加到5×108 PFU·mL-1（图6d）。双缺失比单缺失的效果更大（噬菌体滴度大于104PFU·mL-1），表明Dnd和retron系统具有协同作用。在防止产生蓝色噬菌体方面，逆转录酶比Dnd防御系统更有效。接下来，试图了解红色噬菌体如何克服逆转录酶防御系统，结果发现红色噬菌体特异性基因加强了从retron系统的逃逸，当分离并在V5red上进一步繁殖时，这些逃逸者表现出与红色噬菌体相同的感染性。结果说明，修饰核酸外切酶可以使噬菌体通过一种机制来抵抗逆转录酶防御，噬菌体的繁殖取决于噬菌体和宿主突变株的组合。
图5 在V. crassostreae clade V1中鉴定的抗噬菌体系统
本文确定了在噬菌体感染的不同阶段驱动噬菌体侵染特异性的遗传机制。宿主细菌的抗噬菌体机制涉及受体适应和宿主防御系统。噬菌体吸附模式与细菌分支相匹配，存在细菌分支特异性受体和对应的噬菌体特异性受体结合蛋白。在基因组可塑性区域，主要是在可移动基因元件中，发现了密切相关的细菌菌株之间噬菌体防御基因库的差异，揭示了细菌防御和噬菌体反防御进化的相似性。研究表明，噬菌体包含一个反防御系统的泛基因组，它们经常交换。这导致在连续的协同进化过程中出现与细菌防御相匹配的变异。在未来，识别每个噬菌体簇的受体以及了解进化成本将有助于深入理解噬菌体-宿主细菌共进化选择过程。
论文信息
原名：Phage–host coevolution in natural populations
译名：自然种群中噬菌体-宿主的协同进化
期刊：Nature microbiology
DOI：10.1038/s41564-022-01157-1
发表时间：2022.07
通讯作者：Frédérique Le Roux
通讯作者单位：法国索邦大学
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