西非-南美流行霍乱弧菌株WASA谱系编码多种独特噬菌体防御系统的机制研究

为解决霍乱弧菌(Vibrio cholerae)流行病学中噬菌体防御系统与菌株传播优势的关系问题，瑞士洛桑联邦理工学院的研究团队对西非-南美洲(WASA)谱系7PET霍乱弧菌进行了系统研究。研究发现该谱系特有的WASA-1前噬菌体和VSP-IIWASA基因岛编码WonAB、GrwAB和VcSduA三种新型抗噬菌体系统，能有效抵抗主要捕食性噬菌体ICP1和X29。该研究揭示了抗噬菌体防御系统在霍乱大流行谱系成功传播中的关键作用，为理解细菌-噬菌体协同进化提供了新视角。

　　

在人类与传染病的漫长斗争中，霍乱始终是一个挥之不去的威胁。第七次霍乱大流行(7PET)自1961年从孟加拉湾爆发以来，已持续60余年，其中西非-南美洲(WASA)谱系在1991-2001年拉丁美洲霍乱疫情中表现尤为突出。这个谱系携带两个独特的遗传特征：WASA-1前噬菌体和VSP-II^WASA基因岛变异体，但长期以来这些特征的功能意义一直是个谜。与此同时，噬菌体捕食被认为是限制霍乱疫情持续时间和严重程度的关键因素，特别是主要捕食性噬菌体ICP1与霍乱弧菌的"军备竞赛"持续不断。那么，WASA谱系是否通过获得特殊的噬菌体防御系统而获得了传播优势？

瑞士洛桑联邦理工学院David W. Adams和Melanie Blokesch领导的研究团队在《Nature Microbiology》发表的研究给出了肯定答案。研究人员发现WASA谱系特有的遗传特征编码了三种全新的抗噬菌体防御系统，这些系统共同构成了强大的"免疫屏障"，可能是该谱系在拉丁美洲疫情中占据主导地位的关键因素。

研究采用了多学科交叉的研究策略。通过噬菌体敏感性筛选、基因敲除和回补实验确定了WASA-1和VSP-II^WASA的防御功能；利用荧光显微镜和qPCR技术追踪噬菌体感染过程；结合AlphaFold3结构预测和位点定向突变解析蛋白质功能域；采用MacSyFinder进行全基因组防御系统分析；通过BASEL噬菌体库筛选确定防御系统的靶向范围。特别值得注意的是，研究使用的霍乱弧菌A1552菌株来自1992年秘鲁疫情临床分离株，具有重要流行病学意义。

研究结果部分，"WASA-1前噬菌体使秘鲁菌株对ICP1产生抗性"揭示了惊人发现：模型菌株A1552对所有16株测试的ICP1分离株（跨越27年）都表现出完全抗性。通过系统敲除实验，研究人员将这种抗性定位到WASA-1前噬菌体上一个双基因操纵子，将其命名为WonAB（WASA overcoming lysogenization defect-ABC ATPase nuclease）。进一步实验证明，WonAB的表达足以使敏感菌株获得ICP1抗性。

"WonAB系统负责ICP1防御"部分详细解析了这个新型防御系统。生物信息学分析显示WonA是ABC ATPase，而WonB具有PD-(D/E)xK核酸酶折叠。关键残基突变实验证实ATP结合/水解和核酸酶活性都是防御功能所必需的。有趣的是，WonA ATPase活性失活会导致WonB蛋白不稳定，表明两者形成功能复合体。系统发育分析发现WonAB同源物广泛分布于0.43%的细菌基因组中。

"ICP1防御通过裂解非依赖性流产感染发生"部分阐明了作用机制。低感染复数(MOI)时，WonAB通过牺牲单个被感染细胞来保护群体；高MOI时则导致生长停滞。时间分辨显微镜显示，虽然ICP1能完成DNA复制，但无法组装衣壳。这种"流产感染"机制不同于典型的裂解性死亡，细胞保持完整状态数小时后才最终裂解。

"WonAB激活通过抑制翻译关闭生长"部分揭示了分子机制。过表达实验显示WonB具有强烈毒性，但需要WonA参与。深入分析表明WonB通过抑制翻译发挥作用，其自身也受到Lon蛋白酶降解的严格调控，这种双重调控可能防止自身免疫。

"VSP-II^WASA携带两种不同的抗噬菌体防御系统"部分转向第二个遗传特征。研究发现VSP-II^WASA编码两个独立系统：GmrSD-like IV型限制酶GrwAB和Shedu家族成员VcSduA。

"GrwAB是一种修饰依赖性限制系统"详细描述了第一个系统。GrwAB对含有7-脱氮鸟嘌呤修饰基因组的Queuovirinae和Tevenvirinae噬菌体表现出强大活性。结构预测显示GrwA包含DUF262传感器结构域和His-Me核酸酶结构域，而GrwB具有独特的多域结构。从Bas24噬菌体分离的逃逸突变体在dpdA（7-脱氮鸟嘌呤插入酶）基因发生突变，证实了GrwAB的修饰依赖性。

"VcSduA是具有GHKL ATPase N端结构域的Shedu系统"介绍第二个系统。VcSduA对T1-like Drexlerviridae噬菌体家族表现出广泛活性。结构分析表明其N端为GHKL ATPase，C端为DUF4263核酸酶结构域，被归类为Shedu I-D型防御系统。与GrwAB不同，VcSduA能在不牺牲细胞活力的情况下直接限制噬菌体。

"VcSduA保护霍乱弧菌抵抗弧菌噬菌体X29"将研究带回霍乱弧菌生理环境。研究发现VcSduA能在天然宿主中提供对X29噬菌体的保护，且与VSP-II编码的DdmABC系统功能冗余，表明WASA谱系具有双重防御机制。

在讨论部分，研究强调这是首次揭示WASA谱系两个遗传特征的生物学功能。三种防御系统共同构成了广谱抗噬菌体屏障，特别是对主要捕食性噬菌体ICP1的抗性，可能直接促成了该谱系在拉丁美洲疫情中的传播优势。研究提出了两种可能的进化场景：在非洲获得防御系统帮助菌株抵抗当地噬菌体，或克服南美洲本地噬菌体的"进入屏障"。值得注意的是，WASA-1前噬菌体仍在非洲循环，最近在瑞士从摩洛哥返回的患者分离株中也检测到它的存在。

这项研究不仅揭示了细菌-噬菌体军备竞赛的新篇章，也为理解流行病学中菌株替代现象提供了分子基础。发现的三种新型防御系统丰富了人们对微生物免疫系统的认识，其中WonAB代表了一类新的ABC ATPase传感器与核酸酶效应器组合的防御系统。从应用角度看，这些发现对基于噬菌体的霍乱预防策略具有重要指导意义，也为开发新型抗菌手段提供了潜在靶点。