新研究发现,病毒可能对我们有“眼睛和耳朵”

【字体: 时间:2022年09月27日 来源:Frontiers in Microbiology

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  新的研究表明,病毒正在利用来自其环境的信息来“决定”何时在宿主体内固守,何时繁殖和爆发,杀死宿主细胞。现在,病毒正在利用监视环境的能力为自己谋取利益。但在未来,“我们可以利用它来治疗它们,”这篇新论文的资深作者伊万·埃里尔说。

  
   

Delta phage    

图:一种delta噬菌体,在《微生物学前沿》的一项新研究中首次发现它具有CtrA的结合位点,CtrA是一种由噬菌体的宿主产生的蛋白质,调节菌毛和鞭毛的产生。这些结合位点只存在于需要宿主细胞有菌毛/鞭毛才能感染它们的噬菌体中,这表明噬菌体正在监测这种蛋白质的存在,以便“决定”是留在原地还是复制并从宿主细胞中出来。    


新发表在《微生物学前沿》上的由哥伦比亚大学领导的研究表明,病毒正在利用来自环境的信息来“决定”何时在宿主体内保持稳定,何时繁殖和爆发,杀死宿主细胞。这项研究对抗病毒药物的开发具有一定的意义。

生物科学教授、这篇新论文的资深作者伊万·埃里尔(Ivan Erill)说,病毒感知环境(包括宿主产生的元素)的能力,给病毒与宿主的相互作用增加了另一层复杂性。现在,病毒正在利用这种能力为自己谋取利益。但在未来,他说,“我们可以利用它来损害他们的利益。”

不是一个巧合  

新的研究集中在噬菌体——感染细菌的病毒,通常简称为“噬菌体”。研究中的噬菌体只有在细菌细胞有特殊的附属物(称为菌毛和鞭毛)时才能感染宿主,这些附属物可以帮助细菌移动和交配。细菌产生一种叫做CtrA的蛋白质,控制着它们何时产生这些附属物。这篇新论文表明,许多附属物依赖性噬菌体的DNA中都有CtrA蛋白质可以附着的模式,称为结合位点。埃里尔说,噬菌体与宿主产生的蛋白质有结合位点是不寻常的。

更令人惊讶的是,Erill和论文的第一作者Elia Mascolo (Erill实验室的博士生)通过详细的基因组分析发现,这些结合位点并不只存在于单个噬菌体中,甚至也不存在于单个噬菌体组中。许多不同类型的噬菌体都有CtrA结合位点,但它们都需要宿主有菌毛和/或鞭毛才能感染它们。他们认为这不可能是巧合。

监测CtrA水平的能力“在进化过程中被感染不同细菌的不同噬菌体发明了多次,”Erill说。当远亲物种表现出相似的特征时,这被称为趋同进化——这表明这种特征肯定是有用的。

时间就是一切  

这个故事的另一个问题是:研究小组发现的第一个噬菌体中CtrA结合位点感染了一组叫做Caulobacterales的特殊细菌。Caulobacterales是一组研究得特别深入的细菌,因为它们以两种形式存在:一种是自由游动的“群集”形式,另一种是附着在表面的“潜行”形式。蜂群有菌毛/鞭毛,而茎没有。在这些细菌中,CtrA也调节细胞周期,决定一个细胞是会均匀分裂成两个相同类型的细胞,还是不对称分裂成一个群集细胞和一个柄细胞。

因为噬菌体只能感染群集细胞,所以当有很多群集细胞可供感染时,只有从宿主中爆发出来对它们最有利。一般来说,caulobacteres生活在营养不良的环境中,它们非常分散。“但当它们找到一个好的微栖息地时,它们就会变成跟踪细胞并繁殖,”Erill说,最终产生大量的群集细胞。

因此,“我们假设噬菌体正在监测CtrA水平,CtrA水平在细胞的生命周期中上下波动,以确定蜂群细胞何时变成柄细胞并成为蜂群工厂,”Erill说,“在那个时候,它们会使细胞破裂,因为附近会有许多蜂群需要感染。”

不幸的是,证明这一假设的方法是劳动密集型和极其困难的,所以这不是这篇最新论文的一部分——尽管埃里尔和他的同事希望在未来解决这个问题。然而,研究小组没有找到其他合理的解释来解释CtrA结合位点在这么多不同噬菌体上的增殖,所有这些噬菌体都需要菌毛/鞭毛来感染宿主。他们指出,更有趣的是,这对感染其他生物(甚至人类)的病毒的影响。

他说:“我们对噬菌体的一切了解,以及它们发展出的每一种进化策略,都已被证明可以转化为感染动植物的病毒。”“这几乎是理所当然的。因此,如果噬菌体在监听它们的宿主,那么影响人类的病毒必然也会这样做。”

还有其他一些噬菌体以有趣的方式监测环境的记录例子,但没有一个包括这么多不同的噬菌体使用相同的策略对抗这么多细菌宿主。

这项新研究是“第一次广泛证明噬菌体可以监听细胞内发生的事情,在这种情况下,是从细胞发育的角度来看,”Erill说。但他预测,还会有更多的例子出现。他说,他的实验室成员已经开始在噬菌体中寻找其他细菌调节分子的受体,而且他们正在找到它们。

新的治疗途径  

这项研究的关键结论是,“病毒利用细胞信息来做决定,”Erill说,“如果它发生在细菌中,几乎肯定也会发生在植物和动物中,因为如果这是一种有意义的进化策略,进化就会发现并利用它。”

例如,为了优化其生存和复制策略,动物病毒可能想知道它在什么样的组织中,或者宿主对其感染的免疫反应有多强。尽管想到病毒可能收集并利用所有信息使我们病情加重可能令人不安,但这些发现也为新的治疗方法开辟了道路。

Erill说:“如果你正在开发一种抗病毒药物,并且你知道病毒正在监听一种特定的信号,那么也许你可以欺骗病毒。”然而,这还有几步之遥。目前,“我们才刚刚开始意识到病毒是如何积极地监视着我们——它们是如何监测周围发生的事情并据此做出决定的,”Erill说。“这很奇妙。”

文章标题

The transcriptional regulator CtrA controls gene expression in Alphaproteobacteria phages: Evidence for a lytic deferment pathway

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