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噬菌体——维持肠道稳态的“暗使者”
日期：2023-02-21
1.噬菌体——肠道病毒的主导者
噬菌体是感染细菌的病毒，也是地球上最丰富和遗传多样性最丰富的生物实体。几乎所有存在细菌的生态系统都含有噬菌体群落，包括复杂的肠道微生态系统。随着病毒宏基因组学的发展，肠道病毒群落被广泛关注，肠道噬菌体群落的真面目逐渐被揭开。人类肠道噬菌体主要由双链 DNA 噬菌体家族的肌尾噬菌体科（Myoviridae）、长尾噬菌体科（Siphoviridae）和短尾噬菌体科（Podoviridae），以及属于单链 DNA 噬菌体家族的微小噬菌体科（Microviridae）组成。全球病毒组数据库表明，97.7% 的人类肠道病毒组是噬菌体，2.1% 是真核病毒，0.1% 是古细菌病毒，这些噬菌体中有 88% 尚未被国际病毒分类委员会分类（图1）[1]。此外，由于人类个体具有独特的肠道噬菌体库，每个新的人类样本中有85–99%的病毒类型是新的，未被培养过，也未被分类，或者与任何已知的细菌宿主无关，仅包含少数共享的核心噬菌体。因此，病毒宏基因组学仍是一项具有挑战性的任务。类似于细菌微生物群的早期研究，必须对这些新发现的不同病毒群落进行编目和分类，从宏基因组数据中收集未培养的噬菌体基因组将为肠道病毒群体的研究奠定坚实的基础。
图1 肠道病毒数据库
2.肠道噬菌体受多种因素影响
影响肠道噬菌体组成的因素包括饮食、遗传因素和疾病状态（图 2）[2]。与正常饮食相比，饮食干预减少了无关个体中噬菌体的变异，并显着改变了病毒组的组成。有人认为遗传因素在噬菌体组成中起作用，因为同卵双胞胎比无关个体具有更多相似的病毒组。一项较早的研究发现，遗传相关性不会导致病毒组相似性，但该研究的结果在最近的一份出版物中被驳斥，该研究使用了更大的人类样本队列[3]。
图2 肠道噬菌体组成受到多种因素影响
此外，肠道噬菌体组成随年龄的增长发生改变[1]。肠道噬菌体丰富度在婴儿期增加，在青春期减少，在成年期达到高丰度，而在老年人中丰度下降。婴儿病毒组组成是暂时的，随着时间的推移，Microviridae和Siphoviridae的丰度增加，而Siphoviridae的丰度减少。成人病毒组的特点是具有高水平的Podoviridae、Microviridae和 Siphoviridae。而Podoviridae 和Microviridae 在老年人中的丰度仍然很高。
目前，研究表明肠道噬菌体与炎症性肠病 (IBD)、肥胖症、2型糖尿病以及肝病等多种人类疾病密切相关。例如患有 IBD 个体中Caudovirales的丰度增加，而 Microviridae的丰度降低，表明疾病与Caudovirales噬菌体的扩增有关。被鉴定为与克罗恩病（CD）唯一相关的噬菌体与乳酸杆菌、梭菌、肠球菌和链球菌噬菌体密切相关，而在溃疡性结肠炎（UC）患者中未观察到这些噬菌体，这突出表明特定的噬菌体与不同的疾病相关[4]。此外，与无酒精使用障碍的对照组相比，在酒精性肝炎患者粪便样本中观察到病毒多样性的增加。在这些患者中，埃希菌属、肠杆菌和肠球菌噬菌体的比例过高，而葡萄球菌属噬菌体丰度的增加与疾病的严重程度高度相关。有趣的是，重症非酒精性脂肪肝患者肠道病毒多样性更低，与其他肠道病毒相比，噬菌体比例显著降低[5]。
3.肠道噬菌体与细菌的相互作用
肠道微生物栖息地是由复杂的肠道宏观解剖和微观解剖形成的。细菌可以充分利用这种解剖结构，在粘蛋白中寻找躲避噬菌体攻击的避难所。噬菌体也可以利用粘蛋白的粘附作用防止其被清除。人类微生物群中的数百种细菌在肠腔和粘膜表面占据不同的生态位，在几个营养水平上形成复杂的拮抗和交叉摄食网络，为烈性和温和噬菌体提供完美的环境。肠道微生物群和肠道结构的复杂性代表多种生物和非生物选择力，塑造分类组成并指导物种的短期和长期进化，这种组合似乎有利于噬菌体和细菌宿主之间更复杂的生态和进化动力学类型。对噬菌体如何调节肠道细菌进行更深入的了解将有助于设计有效的靶向噬菌体疗法。
3.1生态力量塑造肠道噬菌体与细菌的相互作用
噬菌体-细菌相互作用驱动共同进化，形成微生物生态学。肠道内的噬菌体-细菌相互作用导致不同的生态动力学。当应用于噬菌体-细菌相互作用时，红皇后假说（The Red Queen hypothesis）支持寄生关系，其特征是细菌抗性和噬菌体抗性的循环（图 3a）[6]。噬菌体-细菌相互作用也可以通过“杀死赢家（kill-the-winner）”动力学来解释（图 3b），该模型类似于描述捕食者-猎物相互作用的 Lotka-Volterra 方程[7]。对于烈性噬菌体来说，“杀死赢家”动力学依赖于细菌种群密度。当宿主细菌种群密度较低时，噬菌体与宿主的相互作用较低，从而导致感染减少。如果细菌宿主种群扩大，噬菌体遇到易感宿主的机会就会增加，较高的感染率会减缓细菌种群的扩张（图 3b）。然而，当应用于感染不同细菌种群的烈性噬菌体时，“杀死赢家”动力学会导致种群突然崩溃。在包含多个物种的细菌种群中，种群扩张和突然崩溃的动态对于每个物种都是周期性的，只要细菌生长率高，就可以维持总体种群多样性。然而，在人类肠道内几乎没有描述过“杀死赢家”动力学的例子。
图3 肠道内的噬菌体-细菌相互作用导致不同的生态动力学
3.2人类肠道噬菌体选择搭乘而不是杀死细菌
人类肠道噬菌体与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，即“搭乘胜利者（Piggyback-the-winner）”动力学[8]，它描述了可应用于高密度微生物群落中温和噬菌体的生态参数，因为许多含有高密度细菌群落（例如肠道、珊瑚礁、土壤）生态位显示出低于预期的噬菌体与细菌的比例。噬菌体与细菌的比例降低可以通过温和噬菌体进入溶原状态来解释。肠道中的大多数细菌被至少一种温和噬菌体溶原化。温和噬菌体通过称为重复感染排除的过程保护宿主免受噬菌体再感染。溶原性转化还可以赋予宿主细菌多种适应性优势。“搭乘胜利者”模型假设高微生物密度有利于溶原化而不是裂解性噬菌体复制（图 3c）。
3.2.1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据主导地位。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4a）。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。
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4b）。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。例如，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4 来自噬菌体的细菌种群收益
3.2.2溶原慢性侵染的作用
在溶原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，当溶原细菌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4c）。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4d），特别是当它与免疫系统相关时。
3.2.3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4c）。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5）。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（The Black Queen hypothesis），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5 三种噬菌体转导类型
肠道噬菌体与人类疾病间关联的发现，重新引起了人们对这一研究领域的关注。但肠道噬菌体与疾病之间尚未建立起致病关联，还需要进一步研究以确定肠道噬菌体的改变是否导致疾病发生或发展。此外，迄今为止的发现主要局限于非常广泛的噬菌体种类，而不是特定的噬菌体类型或特定宿主的噬菌体。因此，我们在了解肠道“暗物质”及其对人类健康和疾病的影响方面仍处于初期阶段。值得鼓舞的是，近年来，关于细菌与其噬菌体之间相互作用的知识有了长足的进步。细菌和噬菌体的相互作用对有机体肠道生物学具有广泛的影响。对所有方面的进一步研究以识别肠道中噬菌体-细菌相互作用的新特征可能会导致更明智的技术来操纵微生物群。此外，关于噬菌体-细菌和噬菌体-机体相互作用如何调节健康和疾病的新见解将在未来几年继续把噬菌体置于宿主-微生物相互作用的前沿。
参考文献
[1] Ann C Gregory, Olivier Zablocki, Benjamin Bolduc, et al. The gut virome database reveals age-dependent patterns of virome diversity in the human gut. Cell Host Microbe. 2020.11;28 (5).
[2] Joshua M Kirsch, Robert S Brzozowski, Patrick R Secor, et al. Bacteriophage-bacteria interactions in the gut: from invertebrates to mammals. Annu Rev Virol. 2021. 29;8 (1), 95-113.
[3] Moreno-Gallego JL, Chou SP, Di Rienzi SC, Goodrich JK, et al. Virome diversity correlates with intestinal microbiome diversity in adult monozygotic twins. Cell Host Microbe. 2019. 25:261–72.e5.
[4] Jason M Norman, Scott A Handley, Miles Parkes, et al. Disease-specific alterations in the enteric virome in inflammatory bowel disease. Cell. 2015 Jan 29. 160 (3), 447-60.
[5] Cynthia L Hsu , Yi Duan , Derrick E Fouts , Bernd Schnabl. Intestinal virome and therapeutic potential of bacteriophages in liver disease. J Hepatol. 2021. 75 (6), 1465-1475.
[6] Forsberg KJ,Bhatt IV, Schmidtke DT, Javanmardi K, Dillard KE, et al. Functional metagenomicsguided discovery of potent Cas9 inhibitors in the human microbiome. eLife. 2019. 8:e46540
[7] Winter C, Bouvier T, Weinbauer MG, Thingstad TF. Trade-offs between competition and defense specialists among unicellular planktonic organisms: the“killing the winner” hypothesis revisited. Microbiol. Mol. Biol. Rev. 2010. 74:42–57
[8] Andrey N Shkoporov, Christopher J Turkington, Colin Hill. Mutualistic interplay between bacteriophages and bacteria in the human gut. Nat Rev Microbiol. 2022 Jun 30.
注：本文原载于“上海噬菌体与耐药研究所”微信公众号《专家讲坛》，作者：冀亚路，韩文瑜，顾敬敏，吉林大学
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