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作者：王硕，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。
 噬菌体是其细菌宿主的专性捕食者，噬菌体捕食是控制细菌种群密度和分布的主要方式之一。地球上每48小时就有一半的细菌被噬菌体杀死。尽管细菌进化出很多抵抗噬菌体攻击的系统，但很少有细菌完全逃脱了噬菌体的捕食。然而，在复杂环境中，如人类肠道，这种攻击和防御的拮抗模型并不能完全描述噬菌体-细菌的相互作用。本综述探讨了人类肠道中噬菌体与细菌之间偏向共生的相互作用，作者认为，噬菌体与其肠道细菌宿主之间的关系不是类似敌人之间的殊死搏斗，而更像伙伴之间的共生关系。 协同进化过程中的互惠主义 在种群以及更高水平上，噬菌体施加给细菌种群的选择压力似乎是肠道微生物群落稳定性和多样性的关键驱动力。在适应噬菌体的过程中细菌具有难以置信的多样性，几乎发生在噬菌体侵染的每一个阶段，同时伴随着产生耐药性的代谢成本，最终降低细菌的适应性。与纯培养不同，在更复杂的群落中，成本较低的噬菌体抗性菌株占主导地位。无论个体的抗性成本如何，在给定时间内产生适应性低于其亲本的变种是一种进化“成本”，其回报是产生可能有益于种群的多样表型，多样化种群在不断变化的环境中生存的机会更大（图1）。协同进化也可以超出耐药性或噬菌体抗性的范围，扩展到进化过程的其他方面。一种流行的形式是偶然位点的进化，偶然位点是超可变DNA的区域，使细菌能够在称为“相位变化”的过程中切换表型。侵染空肠弯曲杆菌的Fletchervirus属噬菌体通过编码病毒受体结合蛋白的基因内的聚重复区的扩增或收缩而发生相位变化。这些基因的相位变化改变了病毒编码的受体结合蛋白，从而改变了靶向的宿主受体。保持噬菌体的另一个优势是细菌将其用作对抗潜在竞争对手的“武器”（图1），噬菌体的存在可以防止噬菌体敏感细菌的入侵。相位变化可能通过“群体免疫”样动态在细菌群体中创建具有不同噬菌体浓度的区域，这将在细菌群体中产生一系列不同的噬菌体选择压力，并导致在细菌群体中发生离散的协同进化过程。协同进化还可以通过噬菌体自身种群的多样化和进化使其受益。有尾噬菌体的尾部相关基因参与噬菌体吸附过程并且容易发生突变导致靶点切换，增加了种群内噬菌体的多样性，从而提高了细菌进化的速率以及噬菌体和细菌种群内的多样性。
图1 来自噬菌体的细菌种群收益 溶源与慢性侵染的作用 在溶源或慢性噬菌体侵染过程中出现的共复制状态是细菌和噬菌体之间暂时共生的一种公认形式。无论处于降低病毒活性的条件、缺乏替代宿主的贫瘠环境还是病毒粒子扩散受限的环境，原噬菌体均在溶原菌中受到保护，免受外界环境的影响。原噬菌体通常含有增加宿主整体适应性的基因，同时也增加了噬菌体自身的存活机会。整体适应性的改变包括对环境应激（如抗生素或渗透压）的耐受性、防御捕食者或产生新的竞争机制，如原噬菌体编码的细菌素。这些优势都与原噬菌体生命周期的“沉默”部分有关。溶原细菌细胞还可以通过原噬菌体编码的重叠侵染免疫系统对所选噬菌体实现免疫。因此，作为一个种群，只要整个种群在诱导过程中没有完全裂解，细菌就可以存活。由于噬菌体的多样性选择和迁移等因素，肠道细菌以异质种群的形式存在。因此，当溶原细胞发现自己在肠道环境中与来自同一物种的噬菌体敏感的竞争对手相邻时，它们可以通过诱导释放原噬菌体对抗敏感菌株而增加自身的适应性优势（图1）。释放的噬菌体侵染并裂解竞争的噬菌体敏感菌株，捕获其DNA片段并将其传递回“母菌株”。这种“自转导”使携带特异性原噬菌体的金黄色葡萄球菌菌株能够快速交换抗生素耐药基因（ARG），并在体外和体内侵染模型中的选择性压力下存活。诱导可以通过噬菌体与后生动物宿主本身的相互作用进一步有益于细菌种群（图1），特别是当它与免疫系统相关时。 基因水平转移（HGT）在微生物群落适应性中的作用 HGT在塑造微生物群落的遗传多样性方面起着至关重要的作用。在肠道中，HGT传播了增加适应性的基因（图1），例如编码复杂聚糖降解酶、营养转运体、细菌素和HGT自身基因。同样的交换机制也可用于传播对哺乳动物宿主具有潜在危险的遗传特性，包括ARG、毒素和毒力因子。然而，尽管噬菌体包含与ARG同源的基因，但它们通常不编码功能性抗生素耐药性。最近，人们在沙门氏菌属和葡萄球菌属的温和噬菌体中证明了第三种类型的转导，被称为“侧向转导”（图2）。这种新机制似乎广泛存在，并且比一般转导的速率高1000倍。根据黑皇后假说，只要能够确保自由快速地获得共享物种泛基因组，个体菌株基因组的适应性减少就可以成为细菌的获胜策略。共存于单个微生物群中的肠道细菌物种的异质群体在不同菌株之间共享一个物种核心基因组，但又为物种泛基因组贡献了一个独特的辅助基因集合（高达单个基因组的30%）。单一菌株无法承担所有潜在有益的辅助基因的巨大遗传或代谢负担，这些基因可能只有在特定情况下才需要。相反，这些基因分布在一个共同的物种基因组中，并通过HGT动态共享。由于噬菌体和其它基因运输机制的不断运行，泛基因组可以被想象为一个真实且可触摸的物理对象：一个由噬菌体动员的基因组片段组成的“海洋”，形成复杂微生物群落的单个细菌群体浸入其中（图1）。作者认为，多产DNA的动员和传播过程为肠道细菌提供了宝贵的进化优势。微生物菌群适应非生物因素变化、抵抗干扰和被抗生素和炎症应激破坏后恢复的独特能力也可能至少部分依赖于噬菌体介导的HGT。
图2 三种噬菌体转导类型  论文信息 原名：Mutualistic interplay between bacteriophages and bacteria in the human gut 译名：细菌&噬菌体：人类肠道中的互惠相互作用 期刊：Nature Reviews DOI：10.1038/s41579-022-00755-4 发表时间：2022.06 通讯作者：Andrey N. Shkoporov 通讯作者单位：爱尔兰科克大学 |
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