一种由Gifsy噬菌体编码的蛋白质能够赋予沙门氏菌（Salmonella enterica）广泛的噬菌体抗性，并且在肠杆菌科（Enterobacteriaceae）中广泛存在

《Applied and Environmental Microbiology》：A Gifsy prophage-encoded protein confers broad phage resistance in Salmonella enterica and is widely distributed across Enterobacteriaceae

噬菌体FO1在沙门氏菌4/74中感染效率降低，主要由O抗原介导的立体阻碍和Gifsy-1编码的gipd474基因共同作用。gipd474属于单基因防御系统，可抑制多种尾状噬菌体感染，其同源蛋白广泛分布于enterobacteriaceae家族，并通过水平基因转移传播。SP6尾尖蛋白可部分缓解O抗原阻碍，但无法完全恢复感染效率，需删除Gifsy-1噬菌体。该研究揭示了噬菌体抗性中单基因防御系统的存在及其保守性机制。

　　### 从O-抗原和新发现的防御基因揭示对噬菌体Felix O1的抗性机制

在研究噬菌体Felix O1（FO1）对不同沙门氏菌株的感染效率时，我们发现一些特定的菌株对FO1表现出显著的抗性。其中，沙门氏菌4/74（S. 4/74）的感染效率（EOP）明显降低，表明其存在某种抗性机制。这一现象引起了我们的兴趣，促使我们进一步探究沙门氏菌如何抵抗FO1的感染。通过实验分析，我们发现O-抗原可能通过物理屏障的方式限制了FO1的吸附，而这种屏障可以通过补充SP6噬菌体的尾刺蛋白（TSP）部分克服。然而，为了完全恢复FO1的感染效率，还需要删除Gifsy-1前噬菌体。这一过程揭示了一个新的前噬菌体编码的防御基因，即gipd474，该基因在S. 4/74中编码了一种新型的抗噬菌体防御蛋白。

#### O-抗原对FO1感染的阻碍

O-抗原是许多沙门氏菌菌株外膜上的一层多糖结构，它不仅在细菌的免疫识别中起着重要作用，还可能对噬菌体的感染产生影响。我们的研究表明，S. 4/74的O-抗原通过物理屏障的方式阻碍了FO1的吸附，导致感染效率降低。这一发现与之前的观察一致，即光滑型沙门氏菌由于其长的O-抗原链，能够屏蔽细菌的受体，从而减少噬菌体的吸附能力。为了验证这一点，我们构建了一个缺失waaL基因的S. 4/74菌株，该基因负责将O-抗原连接到脂多糖（LPS）的外核部分。在该菌株中，FO1的感染效率显著提高，说明O-抗原确实是FO1感染的物理屏障。然而，即使在缺失O-抗原的情况下，FO1的感染效率仍低于其在易感菌株S. LT2中的表现，这表明除了O-抗原之外，还有其他因素在发挥作用。

#### SP6 TSP的辅助作用

为了克服O-抗原的物理屏障，我们测试了SP6噬菌体的尾刺蛋白（TSP）是否能增强FO1的感染效率。SP6 TSP是一种内切酶，能够切割O-抗原链，从而暴露细菌的受体。通过将SP6 TSP补充到FO1噬菌体中，我们观察到其在S. 4/74中的感染效率显著提高，表明TSP确实能够增强FO1的吸附能力。此外，我们还通过点突变实验验证了TSP的催化活性，发现特定的突变（如D280N和D283N）会显著降低其功能，进一步支持了TSP在感染过程中的关键作用。

#### Gifsy-1前噬菌体中的防御基因

尽管SP6 TSP能够部分克服O-抗原的阻碍，但要完全恢复FO1的感染效率，还需要删除Gifsy-1前噬菌体。这一发现提示我们，S. 4/74中可能存在一个由前噬菌体编码的防御基因，该基因能够进一步限制FO1的感染。通过构建一系列缺失不同前噬菌体的菌株，我们发现只有当Gifsy-1被删除时，FO1的感染效率才恢复到与S. LT2相似的水平。这一结果表明，Gifsy-1前噬菌体中的某个基因可能对FO1的感染起到关键的抑制作用。进一步的基因分析揭示了这个基因，即gipd474，它位于Gifsy-1前噬菌体的免疫区域，可能编码了一种抗噬菌体防御蛋白。

#### gipd474的广泛分布和功能验证

为了了解gipd474的分布情况，我们进行了生物信息学分析。结果显示，该基因在广泛的肠杆菌科细菌中存在，表明其在抗噬菌体防御中具有重要的进化意义。通过将gipd474基因异源表达在大肠杆菌中，我们发现该蛋白能够显著增强对多种尾噬菌体的抗性，包括FO1、T4和Alf5。这一结果进一步验证了gipd474作为抗噬菌体防御蛋白的功能。此外，我们还发现该蛋白包含一个典型的Walker A结构域和一个AAA结构域，这些结构域通常与ATP酶活性相关，提示其可能通过ATP依赖的机制来抑制噬菌体感染。

#### gipd474的表达模式

我们还研究了gipd474在S. 4/74中的表达模式。通过基因表达谱分析，我们发现该基因在细菌的指数生长期以及多种应激条件下表现出高水平的表达。这表明gipd474可能在细菌面对噬菌体威胁时快速响应，从而提供及时的保护。然而，其在静止期的表达水平较低，这可能意味着该基因在维持细菌的正常生理功能和抗噬菌体防御之间存在某种平衡。

#### 噬菌体感染的双重屏障

综合以上研究，我们发现S. 4/74对FO1的抗性是由两个机制共同作用的结果：O-抗原的物理屏障和gipd474的编码防御机制。O-抗原通过物理方式阻止噬菌体的吸附，而gipd474则可能在噬菌体进入细菌细胞后，通过某种机制抑制其复制或组装。这一双重屏障的存在，使得FO1在S. 4/74中的感染效率显著降低，即使在补充TSP的情况下，也无法完全恢复其感染能力。

#### 前噬菌体编码的防御系统的重要性

这一研究不仅揭示了gipd474作为新的抗噬菌体防御基因，还强调了前噬菌体在塑造细菌噬菌体敏感性中的重要作用。前噬菌体通常作为细菌基因组的一部分，能够编码多种防御系统，如remAIN系统。然而，remAIN系统在某些菌株中可能因特定的突变而失去功能，这解释了为何在S. D23580中，FO1的感染效率并未显著降低，尽管其Gifsy-1前噬菌体中包含remAIN基因簇。因此，前噬菌体编码的防御系统在不同菌株中可能表现出不同的功能，这与它们的基因组背景密切相关。

#### 噬菌体疗法的挑战与机遇

随着抗生素耐药性的增加，噬菌体疗法和生物控制成为替代抗生素的重要手段。然而，细菌的抗噬菌体机制可能限制其应用效果。例如，S. 4/74对FO1的抗性表明，即使在广谱噬菌体中，也存在特定的抗性机制。因此，在开发基于噬菌体的疗法时，必须考虑这些防御系统的影响。此外，gipd474的广泛分布和功能特性，使其成为一种潜在的抗噬菌体靶点，未来的研究可以探索其在不同环境中的应用潜力。

#### 结论

本研究通过系统分析S. 4/74对FO1的抗性机制，揭示了O-抗原和gipd474双重屏障的存在。这一发现不仅加深了我们对细菌抗噬菌体机制的理解，也为噬菌体疗法和生物控制的应用提供了新的视角。gipd474作为前噬菌体编码的防御蛋白，其在肠杆菌科中的广泛分布表明，该基因可能在细菌进化过程中发挥了重要作用。未来的研究需要进一步探索其具体的分子机制和功能，以期在更广泛的生物医学和工业应用中加以利用。