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聆听病毒的私语——病毒社交的秘密

Jun 25, 2019 No Comments

聆听病毒的私语——病毒社交的秘密1

科学家正在聆听病毒之间的交流,破译它们传播和合作的方式。解读微生物之间的交流可能对人类健康有益。

 

以色列雷霍沃特威兹曼科学研究所(Weizmann Institute of Science)的遗传学家Rotem Sorek发现他养的细菌生病了——到目前为止,一切如他所料。他故意用病毒感染这些细菌,以测试细菌是各自为战,还是与其盟友联系以共同抵抗病毒。

但当对这个过程进行研究时,他们发现了一些完全出乎意料的事情:细菌是沉默的,但病毒却在“叽叽喳喳”,以只有它们自己才懂的分子语言互相沟通。它们共同决定什么时候在宿主细胞中保持低调,什么时候自我复制并爆发,以寻找新的受害者。

尽管这是一次偶然的发现,但却从根本上改变了科学家对病毒行为的理解。

感染细菌的病毒——一种尖锐的棒棒糖状的、名为噬菌体的细菌——具有监视机制,可根据未受感染的细菌的多少,确定是否保持休眠状态或发起攻击。长期以来研究人员都认为这些过程是被动的;噬菌体似乎只是坐着并聆听,静待细菌状态不佳的信号,然后被激活,进而发起攻击。

Sorek等人发现噬菌体间会相互沟通,讨论是否发起攻击。他们意识到,当感染细胞时,噬菌体会释放一种微小的蛋白质——一种长度仅为6个氨基酸的肽——作为向其弟兄们传达的信息:“我已经拿下了一城”。随着噬菌体感染的细胞越来越多,信号越发强烈,表明未感染的宿主细胞已变得越来越少。接着噬菌体停止裂解——自我复制,并从宿主细胞释放——而不是处于一个叫做溶原(lysogeny)(噬菌体侵入寄主细胞后,将其基因整合于细菌的基因组中,与细菌 DNA一道复制,并随细菌的分裂而传给后代,不形成病毒粒子,不裂解细菌。)的停滞状态。

事实证明,这些病毒并不依赖于细菌提示来做出决定。它们控制着自己的命运。中国成都四川大学(Sichuan University)结构微生物学家Wei Cheng指出,这一发现是病毒学中一个重要的、关键的和革命性的概念。

Sorek将这种作为信息分子的病毒肽命名为“arbitrium”,它在拉丁语中是“决定”的意思。这种肽似乎与细菌使用的通信系统(群体感应)非常相似,可以共享有关细胞密度的信息,并相应地调整细胞群。然而,这是第一次有人在病毒中展示过这种分子信息。这一发现提示了病毒之间通信系统的存在。

病毒学家长期以来一直以单个病毒攻击细胞的方式来研究病毒。但是人们现在越来越清楚的是,许多病毒彼此合作,共同感染宿主,并打破抗病毒免疫防御。

这意味着研究人员可能一直在以错误的方式研究病毒。加州大学戴维斯分校(University of California, Davis)的进化生物学家SamDíaz-Muñoz认为,这一发现动摇了病毒学的一个支柱。

学习这些病毒相互作用背后的语言可以为癌症和棘手的超感染的新疗法的设计提供信息。病毒的社交偏好甚至有助于解释它们如何逃避名为CRISPR的细菌免疫系统。Díaz-Muñoz表示,从概念上讲,病毒之间的交流真的很强大。

 

社交研究

20世纪40年代,生物物理学家Max Delbrück和细菌学家Alfred Hershey的研究分别表明,两种病毒颗粒可以同时侵入同一细胞并交换基因。但根据加州斯坦福大学(Stanford University)的分子遗传学家Dale Kaiser和Delbrück’s的学生的说法,这些早期观察结果对于科学家来说有趣的不过是实验方法——研究人员可以使用这种方法在两种病毒株之间建立杂交。至于这一发现中所蕴含的基础生物学知识,就被人所忽视了。

在1999年之前,任何人都没有注意到病毒本身的合作。那一年,现在在康涅狄格州纽黑文市耶鲁大学(Yale University)的进化生物学家Paul Turner和现在就职于加州大学圣地亚哥分校(University of California, San Diego)的Lin Chao发现,噬菌体在某些情况下孤身作战,在某些情况下则选择合作。

 

 

聆听病毒的私语——病毒社交的秘密2

图为名为噬菌体的病毒攻击细菌细胞的扫描电镜照片。
噬菌体(绿色)相互交流时,能更好地感染细菌(橙色)。

 

 

病毒相互合作的例子还有很多,包括导致诸如肝炎、脊髓灰质炎、麻疹和流感等疾病的那些病毒。这种合作通常发生在不同的病毒株之间,这些病毒有个共同的目的——提高自身的繁殖机会。但这些合作的分子基础——交流的方式——在很大程度上仍然是难以捉摸的。正如西班牙瓦伦西亚大学(University of Valencia)的进化遗传学家Rafael Sanjuán所指出的那样,交流过程的具体机制非常重要。

这就是为什么arbitrium的发现是该领域向前迈出的一大步。

在Sorek首次描述这一现象之后,2017年,四个独立的团体——包括Cheng和西班牙瓦伦西亚生物医学研究所(Biomedical Institute of Valencia)的结构生物学家Alberto Marina领导的一个团体——开始尝试揭示噬菌体感知、行动和合成arbitrium的分子基础。

过去九个月里发表的五篇论文报道了这些技术细节,这有助于准确解释Sorek发现的短肽如何影响病毒决策。然而,对于Marina而言,这只是故事的开始:他怀疑通信系统可能具有更多功能。

Marina的怀疑来自于其中一篇论文的发现。在与英国格拉斯哥大学(University of Glasgow)的微生物学家José Penadés的合作中,Marina发现,噬菌体中的arbitrium受体不仅可以与细菌中帮助病毒繁殖的基因相互作用,还可以与其它不相关的DNA片段相互作用。这意味着arbitrium的作用可能不仅限于病毒“停留或离开”的决定。研究人员现在正在探索噬菌体分泌的arbitrium类物质是否也会改变宿主细胞中关键基因的活性。Marina表示,如果这是真的,那么病毒的通信系统的功能可能比我们设想的复杂得多,这真让人兴奋。

Sorek对他最初的发现进行了扩展,发现arbitrium肽在多种情况下都会被合成。他的团队现已发现,至少15种不同类型的噬菌体在感染土壤微生物时,会使用某种短肽进行通讯。值得注意的是,Sorek指出,每个噬菌体似乎都用不同的语言说话,并且它们只能理解自己的语言。因此,病毒的交流似乎仅允许近亲之间的通信。

噬菌体可能只会对自己的同类说话,但它们也可以使用其它语言。分子生物学家Bonnie Bassler和她的研究生Justin Silpe发现,病毒可以利用细菌释放的群体感应化学物质来确定什么时候最适合开始繁殖,并杀死细菌。Bassler解释,噬菌体会窃听,它们为了自己的目的而劫持宿主信息,寻找杀死宿主的最佳时机。

这种分子探测机制天然存在于感染霍乱弧菌(Vibrio cholerae)的噬菌体中。在他们位于新泽西州普林斯顿大学(Princeton University)的实验室中,Bassler和Silpe设计了一种“间谍”噬菌体,这些噬菌体可以感知其它微生物特有的信号,包括大肠杆菌(Escherichia coli)和鼠伤寒沙门氏菌(Salmonella typhimurium),并消灭它们。这些病毒实际上成了可编程的刺客,可以根据需要随意杀死任何细菌。

 

牺牲小我,完成大我

一些病毒的合作似乎接近于利他主义。两个独立的小组去年报告称,一些噬菌体非常无私地牺牲自我,帮助群体克服假单胞菌(Pseudomonas)对其它病毒的防御。这两个团队——一个由加州大学旧金山分校的噬菌体生物学家Joe Bondy-Denomy领导,另一个由英国埃克塞特大学(University of Exeter)的CRISPR专家Edze Westra和病毒学家Stineke van Houte领导——指出,病毒用专门的蛋白质攻击细菌,打破细胞基于CRISPR的免疫防御。第一波病毒自杀式地袭击了细胞,但削弱了细菌的防御能力。最初的轰炸为其病它毒征服细菌铺平了道路。Bondy-Denomy指出,这些自杀式袭击的噬菌体非常关键,它们打破了细胞的CRISPR防线,为后面的噬菌体的入侵成功奠定了基础。

在后续工作中,Westra和他的博士后Anne Chevallereau证明了缺乏这些抗CRISPR蛋白的噬菌体如何利用来自于其它合作病毒的抗CRISPR蛋白。对Westra来说,这显示了病毒之间利他行为可能产生的深远影响。他认为,群体层面有很多新兴特性,牢记这些噬菌体的生态学非常重要。

德克萨斯A&M大学(Texas A&M University)噬菌体技术中心(Center for Phage Technology)的生物物理学家Lanying Zeng认为,这些噬菌体进行交流和合作的例子可能只是病毒通信系统的冰山一角。这是一个完整的、未开发的领域。这一现象同样适用于感染其它细胞类型的病毒——包括感染动物和人类细胞的病毒——它们也采用了自己的一些社交技巧。

以水疱性口炎病毒(vesicular stomatitis virus, VSV)为例,VSV主要感染农场动物,但也会引起人类流感样疾病。Sanjuán等人表示,这种病毒病原体的颗粒会通过牺牲个体来抑制宿主免疫力,为病毒群体做贡献。没有人确定这种合作是如何发生的,但这项工作突出了利他主义对VSV感染的重要性。这可以帮助科学家农击败农场动物的VSV病毒,并优化疫苗和治疗。

其他集体行动的例子在致病病毒中广泛存在。例如,在脊髓灰质炎病毒中,多种遗传上不同的病毒株可以聚集在一起交换基因产物,并增强其对人体细胞的杀伤作用。两种流感病毒——一种在细胞进入方面表现优异,另一种在从细胞中出来上表现优异——共存时比任何单独一种对细胞的感染力都更强。

但在现实世界中,流感患者的鼻拭子中,这两种病毒似乎并不共存。华盛顿州西雅图弗雷德哈钦森癌症研究中心(Fred Hutchinson Cancer Research Center)的Jesse Bloom认为,这与流感病毒生活的一些特点有关——流感病毒的种群规模剧烈波动,以至于合作的病毒很难结合在一起。没有这种传输瓶颈的病毒,在现实环境中更有可能保持合作。

这正是马里兰州贝塞斯达美国国家心脏、肺和血液研究所(US National Heart,Lung,and Blood Institute)宿主—病原体动力学实验室(Laboratory of Host-Pathogen Dynamics)的负责人、显微镜专家Nihal Altan-Bonnet在研究小鼠幼崽之间的轮状病毒传播时所得到的发现。轮状病毒颗粒可以以包裹在泡沫状囊泡中的形式在细胞之间传播、共享资源,并逃避宿主的免疫系统。而且,Altan-Bonnet等人已经证明,当病毒颗粒开始合作时,其对小鼠的感染力比单独使用时要大得多。

许多其它致病病毒——包括寨卡病毒、引起肝炎、水痘的病毒、病毒和感冒病毒——现在都被证明可以通过这些囊泡进行传播。

Altan-Bonnet提醒,这些病毒非常狡猾,我们必须想办法设计能破坏这种协作性和病毒聚集的方案。

也就是说,我们应尽可能想办法利用病毒之间的合作来治疗疾病。有几个小组正在测试噬菌体作为细菌感染的治疗方法——这种疗法在医学上有着悠久的历史,但是直到近来对其理解的加深,科学家才真正操控了噬菌体来发挥治疗效果。

 

巧用噬菌体

例如,上个月,研究人员描述了首次临床使用基因工程化噬菌体来解决抗药性细菌感染的成功案例。对于这样的感染,理想的解决方案是使用病毒完全消灭细菌。但对于以微生物不平衡为特征的疾病,如痤疮、某些类型的癌症和炎症性肠病,最好采用一种能够帮助恢复平衡而不需要全面攻击的噬菌体。

加拿大多伦多大学(University of Toronto)的噬菌体生物学家Karen Maxwell表示,对于那些更微妙的应用,确切知道病毒如何进行通信“对帮助我们设计可用于治疗疾病的噬菌体非常有用”。因此,基于arbitrium 系统可以开发更易操控,甚至可逆的疗法。

理解病毒的语言交流也可以提供其它类型的治疗益处。密歇根大学迪尔伯恩分校(University of Michigan)的微生物学家Christopher Alteri指出,这可能是合成生物学工具包的补充,有助于微调工程细菌基因的表达。

例如,Sorek已将这些arbitrium 肽从噬菌体的基因组中分离出来,并将其插入到其它生物体中,使其充当调节开关以激活或抑制基因活动。在未发表的论文中,他和他的研究生Zohar Erez将arbitrium 基因插入到枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)中,从而可以随意操纵这个杆菌的几个基因。例如,有朝一日,科学家或许可以使用工程微生物以精确剂量或特定位置递送药物。

更重要的是,Sorek指出,如果类似arbitrium的系统在人类病毒(例如HIV和单纯疱疹病毒)中也是保守表达的,那么它们就像噬菌体一样,大半生都休眠在细胞中,但一旦接收到通信分子的信号,都会立刻苏醒,在人体内肆虐。

每一个持续存在的科学项目都会产生一些“学”(即子领域),对病毒通信系统的研究也同样如此。两年前,来自英国牛津大学(University of Oxford)的Díaz-Muñoz Sanjuán和进化生物学家Stu West创造了一个新术语 ——病毒社交学(sociovirology)——为他们的研究提供了一个框架。美国微生物学会(American Society for Microbiology)将于本月在旧金山举行的年度会议上举办有史以来第一次专门讨论该主题的研讨会。Díaz-Muñoz指出,病毒社交学的时代已经来临。

Díaz-Muñoz表示,病毒社交学在过去几年中逐渐被越来越多的研究者所接受:这得益于研究人员确定了病毒群体感应中涉及的化学物质,并且为大多数微生物学家都关注的过程取了名。

Díaz-Muñoz还提醒,这种理论目前还不是共识,但这就像病毒或社交一样,迟早会蔓延开来。

 


原文检索:
Elie Dolgin. (2019) The secret social lives of viruses. Nature, 570: 290-292.
张洁/编译 

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