综述 | Nature Reviews Microbiology：微生物病毒生命规律的再认识( 四 )

cnidarianhydravulgaris）微生物群成员之间的竞争。一个微生物群成员（弯曲杆菌属）具有可诱导的原噬菌体，该噬菌体裂解性感染另一种微生物群成员——Duganella菌株。由于微生物共生体影响许多系统中后生动物宿主的紧急生理特性，包括珊瑚等生态工程物种，因此病毒介导的后生动物群落的变化可能会影响大型生物群落和生态系统功能（例如，养分循环或生产力）。5 病毒感染替代宿主在自然环境中，病毒与微生物的相互作用发生在不同的群落中，其中许多次优微生物可能是潜在的病毒靶标。次优感染的后果和相关性才刚刚开始成为研究的对象，主要是在海洋系统中。感染蓝细菌的病毒——噬藻，很好地说明了不同类型病毒感染效率的差异。在两种聚球藻菌株感染期间，两种噬菌体的毒力（44–82%）和爆发大小（每个细胞21–43个感染性病毒）的单细胞测量值有很大差异，每个细胞产生2到100个病毒粒子。值得注意的是，一个噬菌体（Syn9）的平均爆发大小在不同宿主之间存在显著差异，而第二个噬菌体（S-TIM5）的平均爆发大小在相同的两个宿主之间相对不变。同一种群内的噬菌分离物对同一寄主的侵染效率相差27个数量级，表明寄主范围是一个高度进化的性状。噬菌体感染原绿球菌（Prochlorococcu）和聚球藻（Synechococcus）菌株的详细研究显示了在每个感染阶段挣扎或停滞的机制。当噬菌体能够进入目标宿主时，感染在典型裂解途径的不同阶段失败。这项研究表明，低效感染可能是由于宿主细胞的生理变化引起的，而这些变化不一定仅仅通过细胞外变化就可以检测到。对于海洋异养-噬菌体相互作用，还调查了次优宿主感染的患病率和状态。通过大规模（38个噬菌体和19个寄主）的定量寄主范围分析，发现噬菌体可感染19个受试寄主菌株中的17个，而且，值得注意的是，一个噬菌体在一个群体中的感染效率（近似物种水平的指定）最多可变化10个数量级。随后对有效感染宿主和无效感染宿主上的单个噬菌体进行的研究表明，从附着到细胞表面到细胞裂解这一过程中，次最佳感染在感染周期的许多阶段都是无效的，自然界中的噬菌体可以遇到密切相关的宿主，它们的感染效率在每一个宿主上都会有很大的不同，因此噬菌体仍然会繁殖，但只有在其宿主的感染周期中克服了一种或多种低效率后，这种噬菌体才得以繁殖。最后，即使感染同一宿主的两种病毒的有效感染（例如，在单独的实验中），也可以差异代谢地重新编程这些细胞。在这种情况下，由此产生的宿主代谢差异是由一种病毒在遗传上得到宿主基因组的良好补充，并以最少的重编程有效地感染它，而另一种病毒必须更彻底地重编程细胞并获取其细胞内资源，以实现有效的感染。综上所述，这些发现表明，同一细胞可能转化为依赖于感染噬菌体的代谢不同的病毒细胞，从而产生不同的生态系统水平影响。在不同的病毒-宿主模型系统和条件中扩展这种测量对于揭示病毒在生态系统中的作用的普遍“规则”至关重要，特别是那些包含不同群落的病毒。6 组学检测与感染连续体病毒基因组正以前所未有的速度被发现和分类。这些基因组现在可以常规用于绘制病毒及其驱动因素的生态分布图，对被感染的宿主进行计算机模拟预测，并评估病毒可能通过病毒编码的辅助代谢基因或调节因子直接调节微生物代谢的方式。然而，这些生态基因组推论只是评估病毒对生态系统水平影响的第一个关键步骤。迄今为止，研究主要集中在单个病毒宿主配对中的高效裂解或持续溶原性感染状态（感染连续性的极端）。这使得处于感染连续体中间的病毒-宿主的相互作用（例如，那些在溶解性和非溶解性感染之间动态切换的相互作用）在很大程度上没有得到研究。基于组学的推论表明，在培养的生物体和自然系统的共感染过程中，迫切需要分析溶酶原（和潜伏期）、低效溶解感染和病毒相互作用。首先，在对培养的细菌和古细菌基因组的调查中，发现非整合溶源性感染比先前估计的更为常见（几乎六分之一的病毒）。从这些约15000个微生物分离物基因组中鉴定出的大量病毒（12498个中的1756个， 14%）被发现以“染色体外噬菌体”的形式存在。尽管这些序列是从细菌和古细菌分离物产生的微生物基因组中获得的，这些细菌基因组和细菌分离株在培养物中维持了数十年至数十年，但是这些感染对宿主细胞的影响还没有被研究。其次，利用海洋噬菌体-宿主模型系统进行的实验表明，对感染效率的调节是多层次的，超出了基于“表面”的抗性；微生物对病毒攻击的防御取决于噬菌体使用的是通用策略还是专攻策略（例如，在蓝藻中，抗性一般噬菌体攻击倾向于细胞内，而对专业噬菌体攻击的抵抗倾向于细胞外）；单个宿主细胞可能会产生截然不同的生态系统影响，这取决于它是否未受感染、受高效病毒感染还是受低效病毒感染。第三，越来越多的证据表明，病毒的共同感染在自然系统的微生物中占主导地位；在某些情况下，一半受感染的培养物或单个细胞感染了两到三种可识别的病毒。这类病毒可能通过异源免疫和/或同源免疫来操纵宿主细胞对感染的准备状态，这意味着病毒与病毒的相互作用也可能驱动不同群体的微生物生理学。在大多数情况下，我们对病毒-宿主相互作用及其生理影响的理解传统上局限于单个病毒-宿主配对，这忽略了病毒-病毒相互作用（包括病毒相互作用以克服宿主CRISPR免疫的情况，如抗CRISPR噬菌体抵抗力）。病毒-微生物序列数据的不断研究探索提出了一个问题，即是否有基于序列的指标来环境中的溶源性、可变溶菌感染模式和病毒-病毒相互作用。生物信息学方法可用于推断溶原菌的发生率。这些方法侧重于识别与溶原性生活方式相关的代理基因（例如，激活酶、整合酶和毒力）。尽管这些代理基因的列表目前仅限于从典型模型系统中已知的那些代理基因，但它们可能通过启用病毒组的诱导实验得到更广泛的扩展，当人们试图将指示基因丰度模式与潜在的感染机制联系起来时，也必须谨慎使用它们。然而，除了溶原性指示基因外，还缺乏从组学数据推断慢性感染的诊断基因。对于双链DNA病毒，现在有明确的例子，一种病毒可以很好地感染一个宿主，而另一个宿主则很差（例如，在不同的宿主中感染丰富的海洋噬菌体Φ38）。然而，在基因组水平上这种诊断可能是不可能的；感染动态学可能需要在转录水平上进行评估。此外，如果真核病毒有任何迹象，那么RNA和单链DNA病毒可能是从组学数据推断慢性感染的理想靶点，因为它们通常采用慢性感染模式，至少在培养分离物中是如此。识别此类持续感染模式的遗传标记构成了未来研究的成熟领域，并且可能有助于解决噬菌体的非标准噬菌体类型（例如丝状噬菌体）和/或载体状态。组学方法通过帮助构建病毒基因组序列空间以及揭示病毒与宿主之间的相互作用，在不同的系统中经常在裂解和非裂解感染模式之间切换，从而推动了环境病毒学领域的发展。进一步的工具和分析方法的发展，可以检测病毒与宿主之间的关联，包括共感染，并阐明沿连续感染的动态溶源性转换，这将为发展理论框架提供重要信息，以确定病毒何时有利于或有害于溶原性宿主。结论