多价噬菌体GSP004通过其尾纤维蛋白ORF208识别沙门氏菌和大肠杆菌中的O-抗原多糖受体

《Journal of Virology》：Polyvalent phage GSP004 recognizes O-antigen polysaccharide receptors in Salmonella and Escherichia coli through tail fiber protein ORF208

噬菌体GSP004通过尾蛋白ORF208特异性识别沙门氏菌和大肠杆菌O157:H7的LPS O-抗原，利用不同分子机制实现跨属感染，为广谱噬菌治疗提供新靶点。

　　### 对GSP004噬菌体跨属感染机制的解读

在当前全球范围内，抗菌耐药性已成为影响动物和人类健康的重大挑战。随着抗生素耐药性问题的加剧，寻找新的替代治疗手段显得尤为迫切。噬菌体疗法作为一种有潜力的治疗策略，近年来受到了越来越多的关注。噬菌体，即感染细菌的病毒，具有高度的特异性，能够识别并结合特定的细菌表面受体，从而实现感染。然而，大多数噬菌体仅能感染单一细菌种内的特定菌株，而具有跨属感染能力的多价噬菌体则较为罕见。本文研究了一种从养猪场污水中分离出的多价噬菌体GSP004，它能够感染多种沙门氏菌血清型和大肠杆菌O157:H7菌株。通过对噬菌体GSP004的形态学分类、基因组分析以及受体识别机制的深入研究，揭示了其跨属感染的关键分子机制。

#### 噬菌体GSP004的宿主范围和感染能力

噬菌体GSP004的宿主范围分析表明，它能够感染多达47种测试的沙门氏菌菌株（涵盖多个血清型）以及21种大肠杆菌O157:H7菌株。这一结果凸显了GSP004的多价特性，即其能够跨越细菌的属界限，感染不同种类的细菌。这种广泛的宿主适应性使其成为研究多价噬菌体感染机制的优良模型。为了进一步验证其跨属感染能力，研究人员通过效率平板法（EOP）测量了噬菌体GSP004在不同宿主菌株上的感染效率。结果表明，噬菌体在多种宿主上均表现出较高的感染能力，这为噬菌体在抗菌治疗中的应用提供了重要的理论基础。

#### 噬菌体的形态学特征

通过透射电子显微镜（TEM）观察，噬菌体GSP004被鉴定为具有典型的二十面体头部和长收缩尾部的结构，这符合Myoviridae科噬菌体的分类标准。这种形态特征表明，GSP004属于Caudovirales目下的Myoviridae科，其尾部结构可能在感染过程中发挥重要作用。尾部不仅作为噬菌体吸附细菌的结构基础，还可能参与基因组的注入过程。通过对噬菌体GSP004的形态学分析，研究人员确认了其在结构上的特异性，这为后续的感染机制研究奠定了基础。

#### 基因组分析与分类

基因组测序和分析揭示了噬菌体GSP004的基因组为环状双链DNA，长度为158,583个碱基对，其GC含量为44.57%。基因组编码了4个tRNA基因和214个潜在的开放阅读框（ORFs），这表明其基因组结构较为复杂。通过与已知噬菌体的系统发育分析，研究人员发现GSP004属于Kuttervirus属，该属的噬菌体通常具有广泛的宿主适应性。进一步的基因组比较分析显示，GSP004与BSP101、LPEK22、GG32和SenALZ1等其他多价噬菌体具有高度的基因组相似性，其平均核苷酸身份（ANI）分别为98.37%、98.90%、97.60%和97.28%。这些结果表明，GSP004与其他多价噬菌体在进化上具有密切关系，且可能共享某些感染机制。

#### 受体识别机制的探究

为了确定噬菌体GSP004的宿主识别受体，研究人员通过一系列实验进行了验证。首先，他们利用碘酸盐（IO??）和蛋白酶K处理细菌，分别破坏LPS和外膜蛋白（OMPs）。实验结果表明，碘酸盐处理显著降低了噬菌体对宿主的吸附能力，而蛋白酶K处理则未对吸附产生明显影响，这表明LPS是噬菌体GSP004识别和结合宿主的主要受体。随后，研究人员通过竞争抑制实验进一步验证了这一结论，发现从宿主细菌中提取的LPS能够有效阻断噬菌体的吸附过程。此外，通过构建LPS生物合成基因缺失的突变株，研究人员发现这些突变株完全无法被噬菌体GSP004感染，进一步支持了LPS作为主要受体的观点。

#### 受体结合蛋白的鉴定

为了进一步明确噬菌体GSP004如何识别LPS，研究人员对四个与尾部相关的蛋白（ORF206、ORF207、ORF208和ORF209）进行了生物信息学分析。结果表明，这些蛋白中仅ORF208具有显著的受体结合活性。通过竞争吸附实验和抗体阻断实验，研究人员发现ORF208能够特异性地结合LPS的O-抗原部分，而其他蛋白则未表现出类似的功能。此外，荧光显微镜观察显示，EGFP标记的ORF208蛋白能够与野生型细菌和补救型细菌结合，但不能与O-抗原缺失的突变株结合。这些实验结果表明，ORF208是噬菌体GSP004识别LPS O-抗原的关键受体结合蛋白（RBP）。

#### ORF208与LPS O-抗原的相互作用

通过生物信息学分析，ORF208被鉴定为一个编码698个氨基酸的蛋白质，其结构包含两个保守的结构域：一个位于N端的类似G7C噬菌体尾刺蛋白的结构域（残基90-155），另一个位于C端的类似P22噬菌体尾刺蛋白的结构域（残基161-697）。这些结构域的保守性提示ORF208可能具有与P22和9NA噬菌体尾刺蛋白相似的受体识别机制。通过序列比对，ORF208与P22和9NA的尾刺蛋白具有32%和51%的同源性，进一步支持其在受体识别上的功能相似性。然而，实验结果显示，ORF208仅对沙门氏菌SE006的LPS O-抗原具有降解活性，而对大肠杆菌ATCC 35150的LPS O-抗原则没有明显影响。这一发现表明，噬菌体GSP004在感染沙门氏菌和大肠杆菌时可能采用不同的分子机制，从而实现跨属感染。

#### 感染机制的多样性

噬菌体感染细菌的过程通常包括吸附、注入基因组和裂解等步骤。在本研究中，噬菌体GSP004的感染机制表现出一定的多样性。对于沙门氏菌，ORF208可能通过识别并降解LPS的O-抗原来启动感染过程，这与P22和9NA噬菌体的尾刺蛋白功能相似。而对于大肠杆菌，ORF208可能通过其他机制，如特定的化学修饰，来实现感染。这一假设基于已知的G7C噬菌体能够特异性地脱乙酰化大肠杆菌O-抗原的报道。因此，噬菌体GSP004可能在感染不同细菌时采用不同的策略，这为理解其跨属感染的分子基础提供了新的视角。

#### 研究的意义与应用前景

本研究不仅揭示了噬菌体GSP004的跨属感染机制，还为多价噬菌体的分子机制研究提供了重要的理论依据。这些发现有助于开发具有广泛宿主适应性的噬菌体治疗剂，从而应对抗菌耐药性问题。此外，了解噬菌体如何识别和结合不同的宿主受体，有助于优化噬菌体疗法，提高其在实际应用中的效率和安全性。未来的研究可以进一步探索不同噬菌体在识别宿主受体时的分子机制，以及如何利用这些机制设计更有效的噬菌体疗法。

#### 结论

综上所述，噬菌体GSP004通过其尾部蛋白ORF208识别并结合LPS的O-抗原，从而实现对沙门氏菌和大肠杆菌O157:H7的跨属感染。尽管ORF208在两种宿主中都识别O-抗原，但其在感染沙门氏菌时可能通过直接降解O-抗原来启动感染过程，而在感染大肠杆菌时则可能通过特定的化学修饰实现感染。这些发现不仅深化了我们对多价噬菌体感染机制的理解，也为噬菌体在抗菌治疗中的应用提供了新的思路。未来的研究可以进一步探讨不同噬菌体在识别宿主受体时的分子机制，以及如何利用这些机制开发更高效的噬菌体治疗策略。