細(xì)菌是“高情商”的生物，懂得“社交”。他們以團(tuán)結(jié)協(xié)作的群體形式生活在自然環(huán)境中，以抵抗來(lái)自外界環(huán)境的壓力。同一細(xì)菌群體中還存在自我識(shí)別能力，可以區(qū)分哪些是同一家族，同時(shí)共同抵抗“異族”。具有擴(kuò)散能力的化學(xué)信號(hào)分子和細(xì)菌的表面受體可作為細(xì)菌群體識(shí)別的語(yǔ)言和工具。

噬菌體是地球上數(shù)量最多的一種細(xì)菌病毒。噬菌體的生存依附于細(xì)菌，但它的繁殖和擴(kuò)散又依賴于細(xì)菌的死亡。噬菌體與細(xì)菌永不停息的相愛(ài)相殺共同譜寫(xiě)了生物進(jìn)化的篇章，而廣泛使用的限制性內(nèi)切酶和CRISPR系統(tǒng)是二者相愛(ài)相殺的最好證據(jù)。

日前，中科院南海海洋所的王曉雪課題組和賓夕法尼亞州立大學(xué)的Thomas Wood 課題組在4月16日的Cell Reports雜志上報(bào)道了細(xì)菌游動(dòng)過(guò)程中使用感染它們的病毒 （即噬菌體）進(jìn)行自我識(shí)別的新方式。這是細(xì)胞使用病毒將自己與近源的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手區(qū)分開(kāi)來(lái)的第一個(gè)證據(jù)。

研究的想法開(kāi)始于王曉雪等準(zhǔn)備運(yùn)動(dòng)平板，科研人員發(fā)現(xiàn)當(dāng)把不同大腸桿菌 K-12 BW25113菌株接種在同一運(yùn)動(dòng)平板上時(shí)，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，菌株在相遇的區(qū)域建立起一道“防御線”，形成了一道類似于“國(guó)界”的分界線（圖1，紅色箭頭）。

圖1 大腸桿菌自我識(shí)別的“分界線”（紅色箭頭）照片由王曉雪提供

為了揭示分界線形成的機(jī)制，科研人員對(duì)已有的大腸桿菌 K-12 突變文庫(kù)的4296個(gè)單基因敲除的菌株進(jìn)行篩選。幸運(yùn)的是，他們發(fā)現(xiàn)當(dāng)細(xì)菌中攜帶的突變影響到噬菌體復(fù)制所需的基因，分界就完全消失了。研究人員推測(cè)，“分界線”可能是通過(guò)烈性噬菌體引起的細(xì)胞裂解形成的。

對(duì)邊界線處的群體進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，在長(zhǎng)期的進(jìn)化過(guò)程，一個(gè)類似于T1的噬菌體（重新命名為SW1）被細(xì)菌捕獲，將其基因組整合到了細(xì)菌基因組上。在運(yùn)動(dòng)平板上，當(dāng)攜帶SW1噬菌體的大腸桿菌與不攜帶SW1噬菌體的大腸桿菌相遇時(shí)，一部分細(xì)菌中SW1噬菌體會(huì)重新被激活，重新釋放到環(huán)境中，去攻擊不帶有此噬菌體的細(xì)胞（外族，沒(méi)有標(biāo)記“SW1”）并殺死這些細(xì)胞，從而在“交戰(zhàn)區(qū)”形成了沒(méi)有活細(xì)菌而存在大量活躍的SW1的透明區(qū)，也就是平板上看到的分界線（demarcation line）（圖2A）。

分界線一旦形成，界內(nèi)的細(xì)菌可以在這道屏障的保護(hù)下進(jìn)行繁殖和搜尋營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，互不干擾。而攜帶有SW1噬菌體的細(xì)菌可以幫助細(xì)菌抵御其它噬菌體的入侵（圖2B），并在特定的情況下提供爭(zhēng)奪營(yíng)養(yǎng)的優(yōu)勢(shì)條件。

圖2  SW1病毒對(duì)大腸桿菌競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的貢獻(xiàn)。（A）游動(dòng)過(guò)程中，無(wú)SW1病毒的細(xì)菌與攜帶SW1的細(xì)菌相遇，被對(duì)方釋放出的SW1裂解，從而形成分界線；（B）攜帶SW1病毒在其他噬菌體入侵時(shí)為細(xì)菌提供保護(hù)；（C）原噬菌體CPS53的YfdM促進(jìn)SW1的繁殖。（圖片來(lái)源于文章）

利用王曉雪等前期構(gòu)建的大腸桿菌K-12中9個(gè)隱匿型噬菌體的缺失突變株（Wang et al., 2010 Nature Communications）進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，研究人員發(fā)現(xiàn)其中1個(gè)古老的隱匿型噬菌體CPS-53攜帶的YfdM蛋白，是負(fù)責(zé)細(xì)菌自我識(shí)別的關(guān)鍵蛋白。他們發(fā)現(xiàn)，將攜帶SW1的細(xì)菌細(xì)胞暴露在 YfdM 中，會(huì)刺激噬菌體顆粒的產(chǎn)生，并導(dǎo)致缺乏 SW1細(xì)胞的裂解。相反的，較高濃度的 YfdM 或噬菌體顆粒會(huì)在細(xì)菌細(xì)胞之間產(chǎn)生更為明顯的分界線（圖2C）。

研究結(jié)果表明，SW1 通過(guò)使用宿主中的CPS-53神秘防御蛋白YfdM 進(jìn)行控制“分界線”的形成。而神秘的防御蛋白來(lái)自于一個(gè)更加古老的噬菌體。

這種新的自我識(shí)別機(jī)制允許細(xì)菌群體與“親屬”進(jìn)行交流，同時(shí)對(duì)抗“外族”，這種交流在對(duì)營(yíng)養(yǎng)需求、毒力表達(dá)、密度感應(yīng)和生物膜形成中可能非常重要。細(xì)菌能夠通過(guò)化學(xué)信號(hào)的交流將自己與其他細(xì)菌區(qū)分開(kāi)來(lái)，這項(xiàng)新的研究展示了細(xì)胞利用病毒來(lái)區(qū)分自己和周圍環(huán)境中密切相關(guān)的細(xì)菌。因此，應(yīng)該重新評(píng)估病毒與其細(xì)胞宿主之間的關(guān)系，因?yàn)椴《靖腥究赡茉谀承└?jìng)爭(zhēng)條件下對(duì)宿主更為有利。

在未來(lái)的研究中，研究人員計(jì)劃研究SW1如何避免攻擊其宿主細(xì)胞，而不殺死缺乏病毒的細(xì)菌。由于人和動(dòng)物腸道中定殖的細(xì)菌多可在腸道表明游動(dòng)，為了獲得更多的生存空間，它們將自己攜帶的噬菌體作為武器，攻擊其它近源細(xì)菌，系統(tǒng)的研究將有助于了解細(xì)胞如何競(jìng)爭(zhēng)或許可以更好地利用病毒來(lái)對(duì)抗細(xì)菌感染，對(duì)腸道致病菌的治療具有一定的參考價(jià)值。

論文題目Phages Mediate Bacterial Self-Recognition。文章鏈接：https://www./cell-reports/fulltext/S2211-1247(19)30400-0。