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。

 

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