聽！噬菌體在說話！
撰文｜葉綠舒
提到溶原性（lysogenic）噬菌體，大家第一個應該都會想到 λ 噬菌體（λ phage）吧！ λ 噬菌體專門感染大腸桿菌（E. coli），它在進行溶原性感染時，會將自己的基因體插入大腸桿菌的特定位置，接著就跟著大腸桿菌一起複製。溶原性循環可以一直持續下去，直到大腸桿菌遭遇到生存危機，這時 λ 噬菌體便馬上翻臉，進入溶解循環（lytic cycle）：先把自己的基因體由大腸桿菌中脫離，接著開始製作新的病毒顆粒，最後溶解大腸桿菌、釋放出新的病毒顆粒來！簡單來講就是：只可共享樂，不願共患難。說它是大腸桿菌的損友，真的是當之無愧呢！
目前對 λ 噬菌體如何由溶原循環進入溶解循環，已經相當了解。如：大腸桿菌遇到生存危機時，會啟動 SOS 反應，這時候大腸桿菌的 RecA 蛋白活化，接著去啟動另一個蛋白 LexA 的「自毀」...但在有 λ 噬菌體潛伏的大腸桿菌中，RecA 不會去啟動 LexA 的自毀，而是改為啟動潛伏在大腸桿菌中 λ 噬菌體的 cI 蛋白，使 λ 噬菌體進入溶解循環。
至於其他的溶原性噬菌體呢？不太清楚。不過，最近以色列的研究團隊，在試圖了解細菌被噬菌體感染是否會釋放什麼警告因子時，發現有一種溶原性噬菌體竟然會互相聯絡，決定要不要進入溶解循環！
故事的主角是枯草桿菌的噬菌體 phi3T。本來研究團隊要找的是「細菌」分泌的警告分子，所以他們找了四種噬菌體，以一比一的比例感染長到指數期中期（mid-log）的枯草桿菌。感染三小時後，把細菌與噬菌體去掉，留下上清液當作條件培養基，用來做後續的實驗。
結果發現，當研究團隊把 phi3T 養在 phi3T 條件培養基裡面的時候，被溶解的細菌少了很多。而且如果把 phi3T養在其他噬菌體的條件培養基裡面的話，被溶解的細菌的比例便會跟初次感染相同。
這結果意味著：有特定物質存在於條件培養基中，而且這個物質只對自己有用（有專一性）。這物質是什麼呢？過去對細菌的研究發現，細菌之間會利用小分子的多肽來感應彼此的存在；那麼 phi3T 是否也是以多肽來互通聲息呢？如果是多肽，當研究團隊以蛋白酶處理過的條件培養基來培養噬菌體時，細菌溶解的比例應該會上昇。結果也的確是這樣。而且，當研究團隊把細菌運送小分子多肽的運輸蛋白 oppD 去掉以後，細菌溶解的比例也上昇了，顯示條件培養基裡面的確存在著小分子多肽，這個多肽的功能與 phi3T 能否進入溶原循環有關。
於是作者將這個未知的多肽取名為 arbitrium（拉丁文的「決定」）。為了進一步研究這個分子，研究團隊將 phi3T 的基因體給定序了（才十二萬八千個鹼基對，小意思）。軟體分析預測 phi3T 噬菌體有 201個基因，其中只有三個帶有胺基端的信息多肽。這三個有信息多肽的基因中，其中有一個最有可能用來產生小分子多肽；以質譜儀分析條件培養基也確認了 arbitrium 應該就是由這個基因產生的一個六個胺基酸的多肽，其序列為 SAIRGA。進一步用人工合成這個多肽加入培養基中，也產生相同的效果；而且還發現最有效的濃度落在 500 nM，可使細菌溶解的比例由 18%上昇到48%。
由於噬菌體總是會把功能相關的基因放在基因體的附近，因此研究團隊便把眼光移到這個基因（命名為 aimP）的上下游。在它的上游有個基因可能是個細胞內多肽受器，而分析的結果發現：這個基因的確是 AimP 蛋白的受器，於是命名為 aimR。
進一步分析 aimR 基因的蛋白質序列，顯示它可能會跟 DNA 結合。研究團隊測試發現，只有在沒有 aimP 多肽時， aimR 才會形成雙體、與 aimP 下游的一段序列結合。當 aimR 與 aimP 下游的一段序列結合後，下游的基因（命名為 aimX）表現便上昇了；若 aimP 多肽存在時， aimR 與 aimP 多肽結合後，無法與 aimP 下游的序列結合，則 aimX 的表現量便急遽下降到原來的二十分之一。
總而言之，在感染初期，噬菌體很少、細菌很多的時候，這時因為 aimP 多肽的量也很少，於是大部分的 aimR 便形成雙體、結合在 aimP 下游的序列上，使 aimX 表現。於是噬菌體便不斷的進行溶解循環，產生新的噬菌體顆粒。等到噬菌體越來越多， aimP 多肽的量也開始上昇，越來越多的 aimR 與 aimP 多肽結合、離開 aimP 下游的序列，於是 aimX 表現量下降，進入溶原循環的噬菌體就越來越多。
有意思的是，在 phi3T 噬菌體發現這個現象以後，研究團隊分析許多枯草桿菌屬的噬菌體序列，發現有不少噬菌體可能都有類似的機制來調節溶原-溶解循環呢！究竟 aimX 的作用是什麼呢？目前只知道它會使 phi3T 噬菌體進入溶解循環，也就是說它可能具有抑制溶原循環的功能。這個基因只有51個胺基酸，下游的序列形成一個 RNA 的次級結構。究竟 aimX 是如何影響 phi3T？它下游的 RNA 次級結構又有什麼樣的功能？這些都有待後續的研究。小分子多肽賀爾蒙從原本被認為是真核生物的溝通分子、後來在細菌（原核生物）的群體感應（quorum sensing）也軋一角、現在連噬菌體也用它，生物真是奇妙啊！
參考文獻：Erez Z. et. al., Communication between viruses guides lysis-lysogeny decisions. Nature.541, 488–493 (26 January 2017) doi:10.1038/nature21049
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作者：葉綠舒 慈濟大學生命科學系助理教授，科教中心特約寫手，從事科普文章寫作。
