噬菌体T4“幽灵”吸附诱导宿主突变：应激耐受与噬菌体敏感性的新型调控机制

本研究发现裂解性噬菌体T4的“幽灵”颗粒（无基因组蛋白外壳）吸附可显著提升大肠杆菌（E. coli）的突变频率（85倍），并诱导应激耐受性增强但噬菌体敏感性增加的独特表型。该过程依赖易错DNA聚合酶IV（DinB）的激活及marR/tfaR基因突变，揭示了噬菌体与宿主互作中非基因转移的遗传调控新机制，对理解微生物进化及噬菌体治疗具有重要启示。

　　

引言

噬菌体作为地球上最丰富的生物实体，其与细菌宿主的相互作用深刻影响着微生物群落的分布与进化。传统研究集中于噬菌体裂解作用及基因转移效应，而短时间接触对宿主遗传特性的非裂解性影响尚未明确。本研究通过噬菌体T4及其“幽灵”颗粒（ghost）模型，揭示了噬菌体吸附行为对宿主细胞遗传稳定性、应激响应及噬菌体敏感性的深远影响。

材料与方法

实验采用大肠杆菌K-12野生型W3110株及噬菌体T4系统。通过渗透压冲击法制备保留蛋白外壳但去除基因组的T4幽灵颗粒，并通过超离心纯化排除宿主成分干扰。通过抗生素抗性突变频率检测、扫描电镜（SEM）吸附观察、基因缺失株构建（如dinB、marR、tfaR）、全基因组测序、转录组微阵列分析及定量逆转录PCR（qRT-PCR）等多技术手段，全面解析幽灵吸附后的宿主表型与分子响应。

结果

突变频率显著提升

噬菌体T4或幽灵颗粒短时间吸附（10分钟）后，约1%的存活宿主细胞突变频率提升至85倍（以萘啶酸抗性为指标）。幽灵吸附诱导的突变株频率在感染复数（MOI）为1和5时分别达8%和3.4%，且该效应在dinB缺陷株中被显著抑制。突变表型可稳定遗传超过100代，且非由预存突变或细胞损伤释放的胞外物质引起。

分子机制：DinB的核心作用

幽灵吸附迅速激活易错DNA聚合酶IV（DinB）表达（mRNA水平提升8.6倍），进而通过SOS反应非依赖途径诱导宿主基因组突变。关键突变集中于tfaR（噬菌体尾纤维组装蛋白）和marR（多重抗生素抗性调节子）基因，其缺失株突变频率分别提升78倍和45倍。突变谱分析显示，gyrA基因以A:T→C:G颠换为主（>640倍），与DinB的易错特性一致。

表型重塑：应激耐受与噬菌体敏感性的悖论

幽灵衍生突变株呈现独特的表型组合：

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  应激耐受性增强：对氧化应激（50 mmol/L H₂O₂）和酸应激（pH 2.5）的抗性提升18-42倍和3.3-5.0倍，与氧化防御基因（soxS、oxyR）和酸抗性系统（gadBC、adiC等）上调相关；
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  噬菌体敏感性增加：对T4噬菌体的抗性频率降低至野生型的0.04-0.37倍，源于脂多糖（LPS）合成基因（waa系列）和外膜蛋白OmpC表达上调，促进噬菌体吸附；
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  适应性优势：竞争实验显示突变株相对适应度提升2.18-4.00倍。

全局转录重编程

微阵列分析揭示幽灵吸附直接引发宿主转录组广泛重编程：80个基因（如磷酸盐代谢、氮转运相关操纵子）显著上调，133个基因（如糖转运系统）下调。突变株中持续激活的AR系统（酸抗性）、LPS生物合成通路及应激响应基因，共同构成其独特表型的分子基础。

讨论

本研究揭示了噬菌体幽灵吸附作为一种新型环境压力，通过DinB介导的突变机制和全局转录重塑，驱动宿主向“高应激耐受-低噬菌体抗性”表型进化。该现象可能为噬菌体提供进化优势：增强存活宿主的应激韧性以确保后续感染机会，同时维持其噬菌体敏感性以促进子代病毒传播。marR-tfaR-DinB-应激通路轴的核心作用，为理解微生物抗性进化、噬菌体-宿主互作及环境适应提供了新视角。

生态与医学意义

自然界中噬菌体幽灵广泛存在（数量超细菌10倍），其诱导的突变株生成（约1%频率）可能是微生物多样性进化的重要驱动力。在医学层面，该机制为靶向调控细菌应激耐受性、优化噬菌体治疗策略提供了新靶点（如DinB抑制剂或marR/tfaR调节剂）。