编者按：
随着对噬菌体和肠道菌群研究的不断深入，科学家们发现噬菌体会通过多种途径影响哺乳动物肠道内微生物，甚至可以直接激发肠道细胞免疫反应，从而影响人体健康和疾病发展。不仅如此，研究还发现，有时使用噬菌体疗法治疗疾病，可能会带来意想不到的风险。
今天，我们共同关注噬菌体，特别编译发表在The Scientist杂志上的文章，希望本文能够为相关的产业人士和诸位读者带来一些启发和帮助。
噬菌体重塑肠道菌群
当微生物学家 Breck Duerkop 于 2009 年开始他的博士后生涯时，他觉得自己会专注于细菌，毕竟他加入了达拉斯德克萨斯大学西南医学中心微生物组研究员 Lora Hooper 的实验室，并开始研究哺乳动物肠道内宿主与病原体的相互作用，探究那些通常无害的共生细菌（如粪肠球菌，Enterococcus faecalis）成为病原体的原因。
Duerkop 决定通过给无菌小鼠接种一种多重耐药粪肠球菌菌株（该菌株有时会在住院病人中引起危及生命的感染）来探讨这个问题，并分析这些细菌如何在小鼠肠道中表达它们的基因。
然而，项目进行后不久，Duerkop 却注意到了一些不同寻常的情况：粪肠球菌中表达的一些基因并不是来自正常的细菌基因组，相反，它们来自噬菌体，即感染细菌的病毒。有时候，如果噬菌体没有立即劫持并杀死它们感染的细胞，它们会将遗传物质整合到细菌染色体中。
这些整合在细菌基因组上的温和噬菌体的核酸被称为前噬菌体，它们可能会休眠多代，直到某些环境或其他因素重新激活它们，然后再次开始复制和表现为感染性病原体。Duerkop 的数据显示，他使用的粪肠球菌菌株的基因组中包含 7 个这样的前噬菌体，该细菌正是通过这些前噬菌体序列的组合在细菌定植小鼠肠道的过程中，生产大量病毒颗粒的。
Duerkop 的粪肠球菌菌株中存在病毒基因并不令人惊讶。噬菌体是细菌的天敌，是地球上最丰富的生命之一，在许多领域，研究人员认为它们的存在是理所当然的。
Duerkop 说，在动物宿主中，“没有人真正考虑过细菌群落背景下的噬菌体”。Duerkop 说：“很容易看到它们，很容易就可以说出 ‘看，这里有一些噬菌体基因，这里还有。’”。但他很好奇为什么粪肠球菌在小鼠肠道中定植时，会复制并释放它们，而不是让前噬菌体继续休眠。
在 Hooper 的鼓励下，他搁置了最初的项目，以便能够深入地挖掘这个问题。令他惊讶的是，他发现粪肠球菌菌株 V583 似乎正在利用其噬菌体获得超越其它菌株的竞争优势。
用多个粪肠球菌菌株进行的细胞和小鼠实验都表明，该细菌产生的噬菌体不会伤害 V583 细胞，但会感染并杀死竞争菌株。Duerkop 和他的同事们意识到，噬菌体并不是细菌群落中的无关背景因子，相反，这种机会致病菌“对于细菌的定植行为非常重要”。
当该团队在 2012 年发表研究结果时， 噬菌体可以在肠道细菌群落中发挥如此重要作用的想法是非常新颖的。
现在，Duerkop 在科罗拉多大学医学院经营着自己的实验室，他说，从那时起“噬菌体可以重塑肠道中微生物群落，这一点已经得到了很好的证实，这可能会对宿主产生有益的影响，也可能会对宿主造成不利的影响”。
有证据表明，噬菌体还有助于细菌之间分享遗传物质，甚至可能直接与哺乳动物的免疫系统相互作用，Duerkop 说，就在几年前，这个想法还曾让免疫学家们笑个不停。
图.噬菌体生命周期
噬菌体影响细菌组成和进化
在 Duerkop 研究粪肠球菌的同时，牛津大学博士后 Pauline Scanlan 正在研究荧光假单胞菌（Pseudomonas fluorescens），这是一种在自然环境中大量存在的细菌物种，通常对人类无害，尽管它与重要的人类病原菌——铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa）同属一个属。
这个属的细菌有时会进化出一种称为粘液型的表型，即细胞分泌大量的海藻酸盐化合物，在菌体周围形成一种保护性的粘性物质。Scanlan 说，在铜绿假单胞菌中，这种粘液可以帮助细菌逃避哺乳动物的免疫系统和抗生素，“但当它突然出现时，对病人来说却不是好消息”。
她对什么诱导了非粘液性细菌群体进化为粘液性细菌群体感到好奇，并发现之前的研究表明，噬菌体可能在其中起到了一定作用。一些研究记录了某些患有铜绿假单胞菌感染的囊性纤维化患者肺部粘液样本中，有丰富的噬菌体。
Scanlan 在进化生物学家 Angus Baking（现就职于埃克塞特大学）的实验室工作，他培育了一种荧光假单胞菌，它含有一种名为 Phi2 的噬菌体，专门感染和裂解这种细菌。
研究人员指出，与普通细胞相比，有粘液涂层的细胞对噬菌体感染的抵抗力更强。更重要的是，随着世代的推移，细菌群体在有 Phi2 的情况下，比没有 Phi2 的情况下，更有可能进化出粘液表型，这表明这种表型可能是假单胞菌属对噬菌体攻击的适应性反应。
现就职于爱尔兰科克大学的 Scanlan 指出，要将这一发现推广到临床环境还需要做更多的工作，但此结果表明在某些情况下，噬菌体可能是驱动细菌采用更具毒力表型的原因。
同样来自加州大学伯克利分校的分子微生物学家 Colin Hill 说，病毒在推动细菌进化中扮演的角色与噬菌体作为“终极捕食者”的名声非常吻合。Hill 是因为研究用于制作奶酪等发酵食品的细菌，才开始接触噬菌体的。
Hill 指出海洋生物学中经常引用的一组数据是，在任何环境中，噬菌体每 48 小时可杀死这一环境中约 50%的细菌。海洋生物学是一个很早就开始研究噬菌体与细菌相互作用的领域，远远早于人类生物学。
Hill 说：“如果细菌有大脑的话，那么任何细菌的脑子里，都是噬菌体，因为这是最有可能杀死它们的东西。”
几项动物研究也支持这样的观点，即捕食性噬菌体有助于塑造哺乳动物微生物组中的细菌进化和群落组成。例如，2019 年哈佛医学院的研究人员报告称，噬菌体不仅直接影响小鼠肠道的细菌，还通过对肠道化学和生物组成的级联效应，影响其他微生物群落。
观察性研究提示，类似的过程也发生于人类肠道中。几年前，圣路易斯华盛顿大学医学院的研究人员观察到，两岁以下儿童肠道中的噬菌体和细菌种群动态模式类似于捕食者-猎物循环：出生时细菌密度较低，因此，一段时间后噬菌体减少，随之细菌发生反弹，然后噬菌体也会随之反弹。研究小组得出结论，这些周期很可能是微生物组健康发育的自然过程。
虽然研究人员才意识到噬菌体在微生物群落动力学中的重要性，但他们已经开始探索其与人类疾病的联系。
2015 年一项研究报告指出，克罗恩病和溃疡性结肠炎患者的某些噬菌体水平升高，特别是有尾噬菌体目（Caudovirales）的病毒。他们提出，变异的病毒可能通过噬菌体和细菌宿主之间的捕食者-猎物相互作用，来促进致病。
其他研究探索了其他人类疾病（如糖尿病和某些癌症）中细菌群落由噬菌体驱动变化的可能性，已知这些疾病与失衡的微生物群有关。但是，由于人类微生物群研究的观察性质，暂时无法得出先后关系，如，病毒组的变化也可能是细菌群落失衡的结果。
目前，研究人员正在探索利用捕食性噬菌体作为武器对抗病原菌的可能性，特别是那些对多种抗生素的耐药，且对公众健康构成严重威胁的病原菌。
耶鲁大学病毒学家和进化生物学家 Paul Turner 说，这里有一个原则，即“敌人的敌人就是朋友”。“如果你的微生物体内有病原体，我们能否通过引入捕食性噬菌体来去除细菌病原体吗？而且根据以往的经验，这种噬菌体只能杀死（病原体）。”他补充说，尽管这一战略是在一个多世纪前提出的，但“我们和其他人正在努力更新它。”
图.肠道里的战争
噬菌体为细菌提供基因传递服务
捕食只是发生在哺乳动物微生物组中的一种噬菌体-细菌相互作用。许多噬菌体能够将它们的基因组插入细菌染色体，这一技巧超出了生物界传统的捕食者-猎物关系的界限，增加了噬菌体与细菌之间的关系复杂性，从而增加了噬菌体对人类健康的潜在影响。
伦敦帝国理工学院的 José Penadés 长期以来一直对噬菌体的这种作用感兴趣。在过去 15 年左右的时间里，他和同事们描述了各种噬菌体帮助细菌在细胞间交换遗传物质的方式。
他将噬菌体比作细菌用来运送货物的汽车，在他看来，将噬菌体视为细菌的延伸而非独立实体是有意义的。“这是细菌的一部分，”他说，“没有噬菌体，细菌就不能真正进化。噬菌体的存在是绝对必要的。”
在最简单的情况下，被运输的遗传物质由所谓的温和噬菌体基因组中的病毒基因组成，这些噬菌体至少有一部分生命周期是作为前噬菌体藏在细菌基因组中的。
Hill 指出，这些噬菌体正逐渐受到微生物学家的重视，认为它们是人类微生物群中细菌进化的重要驱动力。由于缺乏实用和准确的病毒检测方法，很难准确地描述驻留在哺乳动物肠道中的噬菌体的特征，但微生物学家估计，高达 50%的噬菌体是温和噬菌体，更重要的是，对人类健康来说，其中许多噬菌体可能携带与细菌毒力相关的基因。
例如，研究人员很早就知道，细菌产生的许多毒素，包括一些致病性大肠杆菌菌株产生的志贺毒素，以及导致霍乱的霍乱弧菌分泌的霍乱毒素，实际上是由细菌染色体中包含的病毒基因编码的，而携带这些基因的温和噬菌体的感染，可能会将无害的细菌群变成致病性的细菌群。
其他研究的证据表明，噬菌体不仅能够运输它们自己的基因组，而且还能运输少量的细菌 DNA，这种现象被称为‘细菌转导’。在细菌转导研究最深入的例子中，细菌基因组的极小片段被包装成病毒颗粒，而不是与噬菌体基因组一起，被运输到其他细菌细胞中。
然而，Penadés 和他的同事在 2018 年提交的研究结果表明，即使是非常大的细菌 DNA 片段也可以通过这种方式交换，这个过程被该团队称为‘侧向转导（lateral transduction）’。这一发现不仅对研究人员如何理解受感染细胞中的病毒复制有影响，还为细菌分享基因的一种新方式带来了曙光。
Penadés 说：“通过侧向转导，你可以移动细菌基因的很大一部分。”他补充说，研究小组首先在重要的人类病原体金黄色葡萄球菌中观察到了这种现象，现在正在其他分类群中寻找这种现象。“现在，对我们来说，重要的是要证明这是一个通用的机制，尽管其中还有很多漏洞。”
虽然这项研究仍处于初级阶段，但这一机制可以帮助解释巴塞罗那大学微生物学家 Maite Muniesa 和其他人的发现，他们一直在研究噬菌体是否在细菌细胞之间运输抗生素耐药性基因，以及它们是否可以在自然环境中作为这些基因的储存库。
关于这个问题的早期研究提出，像许多毒素基因一样，抗生素耐药性基因可能被编码在病毒序列中，从而与病毒基因组的其余部分一起传递给细菌。但这个想法并非没有争议——2016 年对来自不同环境的 1100 多个噬菌体基因组的分析得出结论，噬菌体基因组很少包括抗生素耐药性基因。这项研究的作者认为，此前关于噬菌体基因组中这些基因的报道很可能是由于污染，或者是因为很难区分病毒序列和细菌序列。
然而，Muniesa 的团队已经发表了多篇关于噬菌体颗粒中含有抗生素耐药性序列的报告，包括来自巴塞罗那一家生鲜食品零售商的肉制品样本，以及最新的海水样本——不仅来自地中海海岸线，甚至来自南极洲海岸，这些采样点远离使用抗生素的人类。
Muniesa 说：“我们非常惊讶，在这些人类影响很小的地区都发现了这些颗粒物。”尽管她的团队还没有确定抗生素耐药性序列是来自噬菌体还是细菌，但她怀疑它们可能是细菌基因，然后在侧向转导或类似的过程中，最终进入噬菌体颗粒。
“或许，细菌正在以一种自然的方式，利用这些噬菌体，在它们兄弟姐妹之间移动基因，”她说，“这在任何地方都可以发生。”
Duerkop 警告说，目前还不清楚噬菌体介导的抗生素耐药基因转移有多频繁，也不清楚它在人类耐药感染的流行病学中有多重要。“这并不是说抗生素耐药性不能通过噬菌体介导，”他说，“我只是认为这不是抗生素耐药性的主要驱动因素。”
无论其天然作用如何，温和噬菌体将自身片段插入细菌基因组的能力可能会应用到新的抗菌疗法中。例如，插入致病性降低基因或扰乱细菌基因正常表达的病毒，可以用来阻碍危险细菌——去年在一项针对诱发牲畜呼吸道疾病的支气管败血性博德特氏菌（Bordetella bronchiseptica）的小鼠实验中，证明了这种方法是成功的。
研究人员发现感染了长尾时噬菌体科（Siphoviridae）的支气管败血性博德特氏菌细胞在小鼠中的毒力明显低于对照细胞，这可能是因为病毒基因组插入了细菌感染宿主所需的基因中间。
更重要的是，在让小鼠接触支气管败血性博德特氏菌之前，给它们注射这种噬菌体似乎可以完全保护它们免受该微生物的感染，这暗示了使用温和噬菌体作为疫苗对抗某些细菌的潜力。
噬菌体与哺乳动物细胞的直接相互作用
尽管人们对噬菌体在细菌间运送物质的作用越来越感兴趣，但最近一些对人体肠道内噬菌体研究的最大进展证明这其中根本不涉及细菌。犹他大学微生物学家 June Round 和她的同事们拼凑出了这个特殊拼图的关键片段之一。
几年前，作为噬菌体疗法研究的一部分，他们给小鼠喂食了几种有尾噬菌体目的噬菌体，这些小鼠是某些癌症的高风险小鼠模型，具有易感基因，此外，研究人员还给小鼠感染了一种会增加这种风险的大肠杆菌菌株。
“这个假定是相当简单化的，”Round 回忆道，“这只是为了确定一种靶向诱导慢性结直肠癌细菌的噬菌体鸡尾酒。”
该团队惊讶地发现，尽管大多数研究人员认为，这些噬菌体只会攻击细菌，但它们却触发了小鼠免疫系统的实质性反应。按照传统观点，哺乳动物的防御系统应该对肠道细菌和噬菌体之间的作用无动于衷。
然而，有趣的是，当研究人员把他们的噬菌体鸡尾酒添加到抗生素处理的小鼠中时，他们仍然观察到了免疫反应。Round 说，就在那时“我们意识到（这些噬菌体）很可能与免疫系统之间存在相互作用。”
进一步探索后，研究小组发现，这些噬菌体同时激活了小鼠的先天免疫反应和获得性免疫反应。在患有结肠炎的啮齿动物中，噬菌体加剧了炎症。
将注意力转向人类，研究人员从处于活动期的溃疡性结肠炎患者、缓解期的疾病患者和健康对照组中分离出噬菌体，发现只有从活动期疾病患者身上收集的病毒才能在体外刺激免疫细胞。
接着，研究小组研究了接受粪菌移植的患者——一种治疗溃疡性结肠炎的实验性疗法，即给患者注射有益的肠道细菌，试图缓解炎症和改善症状——研究人员发现，移植时受者肠道中有尾噬菌体目的丰度较低与治疗成功相关。
直到 2019 年该团队发表研究结果时，其他几个小组也记录了噬菌体和宿主免疫系统之间直接相互作用的证据。与此同时，Duerkop、Hooper 和他的同事报告说，患有结肠炎的小鼠往往有特定的噬菌体群落，这些噬菌体中存在大量的有尾噬菌体目，并且与疾病同时发展。
研究人员在论文中指出，他们在这些患病小鼠的肠道中发现的许多噬菌体类型在炎症性肠病患者的肠道样本中，呈现出很高的丰度，这支持了噬菌体在疾病发展中的潜在作用。
Round 说，研究人员仍然不确定为什么会发生这种跨界的相互作用，特别是当涉及到宿主适应性免疫反应时，这种反应往往是针对特定病原体的。她推测如果某些噬菌体携带的基因可以帮助机会致病性细菌，那么哺乳动物宿主可能会从摧毁这些噬菌体中获益。目前还不清楚免疫细胞如何识别噬菌体携带的基因。
与此同时，在其他几个实验室的工作中也发现了真核细胞和噬菌体之间互作的迹象。最近一项针对铜绿假单胞菌的噬菌体疗法的研究发现，噬菌体和免疫细胞发挥了协同作用，共同清除了老鼠的感染。
其他研究表明，噬菌体与哺乳动物肠道粘膜表面细胞呈递的糖蛋白结合，可能提供了一种抵御细菌病原体的屏障——一些微生物学家认为，这种关系代表了噬菌体与动物共生的一个例子。
Duerkop 补充说，有证据表明，哺乳动物肠道中的噬菌体不仅可以被某些真核细胞吞噬，还可能溜出肠道进入血液，从而进入身体的其他部位，然而其后果未知。
这些机制是否能被用于治疗还有待观察，但 Round 指出，如果研究人员试图利用噬菌体，通过肠道微生物群干预人类健康，它们确实会在某些情况下增加意外影响的可能性。
她说，至少在她和她的团队研究的慢性炎症性疾病中，通过使用噬菌体来靶向致病细菌，“可能会让情况变得更糟”。她补充说，所有研究这种方法的研究小组都应该考虑潜在的连锁反应。考虑到噬菌体与细菌及动物细胞间的多重相互作用，她说，“这比我们想象的要复杂得多。”
原文链接：
https://www.the-scientist.com/features/are-phages-overlooked-mediators-of-health-and-disease-68364
作者｜Catherine Offord
编译｜萌依依
