综述 | Nature Reviews Microbiology：微生物病毒生命规律的再认识( 二 )

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图1：病毒感染连续体。病毒感染的模式存在于一个连续体中，从强毒噬菌体的有效感染（图的左侧）到温和噬菌体的持续溶原性感染（图的右侧；溶原循环中的噬菌体，被称为“原噬菌体” ，已经将其基因组整合到宿主中）。沿着这一连续体的其他感染包括毒性噬菌体的低效裂解和慢性感染。低效感染和慢性感染的位置在连续体上也有流动性（用双头箭头表示）。在这篇综述中，我们采用了一个概念框架重新审视了病毒的生命规则，该概念框架可以跨连续的感染模式来识别病毒与宿主之间的相互作用（图1），并研究了这些模式对病毒及其宿主和生态系统的影响。许多噬菌体生物学家已认识到连续体“中间”的细胞内感染机制，但这些机制可能既常见又与生态有关的观点尚未得到广泛认可。本综述中的大多数示例均来自对双链DNA基因组的细菌（噬菌体）病毒的开创性研究，这为我们目前对病毒生活规律的理解提供了基础。这篇综述旨在激发进一步的工作，以确定控制其他微生物（包括古细菌和微生物真核生物）病毒感染的原则。在进行这项工作时，我们首先考虑什么是温和的噬菌体（将进化策略从溶酶原状态中分离出来）以及温和的噬菌体如何在溶酶原和溶酶原之间发挥作用。然后，我们在生态进化的背景下描述病毒感染的潜在细胞优势，并寻求规范化以细胞为中心的单元，以测量和比较整个连续体的病毒适应性（图2）。我们评估当前对病毒与微生物宿主之间相互关系和拮抗关系的性质以及无效的溶菌感染如何产生的理解。最后，我们研究了生物信息学方法如何帮助从环境序列数据中识别出多种病毒感染策略，并潜在揭示了病毒从细胞到生态系统规模调节微生物命运的新原理。

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图2：病毒传播策略和生态环境。 a、 b 作为敏感寄主密度（x轴）函数的基本繁殖数（R0；y轴）水平传播（Rhor）。 R0表示在其他易感人群中单个受感染细胞（及其子代病毒粒子）产生的新受感染细胞的平均数量。 c、 d 裂解和溶原途径。2 温和的噬菌体温和的噬菌体可以引发溶解性或溶源性感染。在裂解模式下，感染导致新病毒体的产生，宿主细胞的裂解以及病毒体释放回到环境中（图1）。在溶原模式下，温和的噬菌体基因组作为前噬菌体存在于宿主内，在宿主染色体中整合（并与宿主基因组一起复制）或在染色体外被维持（图1）。裂解和溶酶原之间的转换是由噬菌体基因组内编码的基因开关所“决定”形成的，并且受到宿主相关和外部因素的强烈影响。宿主因素的例子可以从对噬菌体λ的开创性研究中得出，由此噬菌体启动裂解与溶酶原的概率与感染的细胞多样性有关（图1）。最近，使用噬菌体编码的命运报告器进行的单细胞测量证实，噬菌体λ的溶原性概率随着感染的多样性增加以及细胞体积的减少而增加。因此，充分研究的噬菌体λ的例子代表了温和的噬菌体策略是如何沿着一个连续系统存在的系统，并在这个连续系统中，启动溶酶原和诱导的概率代表了可变的特征。其他非宿主因素也影响温和病毒感染的结果（图1 ， 2）。在相同或不同的温性噬菌体谱系中，建立溶酶原的可能性可能不同，并且也随发生溶酶原的环境而变化。同样，在溶酶原建立后，诱导启动裂解循环也受到细胞状态和环境条件的影响（图1），尽管许多原噬菌体也可以自发诱导和启动裂解循环。原噬菌体的诱导通常发生在低频率，例如在致病性大肠杆菌或与巴拉伯球菌属相关的支原体存在的志贺氏菌毒素编码的噬菌体中。环境条件也会影响温和的噬菌体动态，例如，在海洋极地水域，在生态系统生产力低的时期，溶酶原被证明是有利的；在生产力高的时期，裂解被证明是有利的。不同的环境压力，如异常的高温或营养水平，或异常的低盐度，会在石珊瑚的微真核生物（鞭毛藻）共生体的病毒感染中引发溶源性转换。在珊瑚系统中，甲藻的病毒溶解可能导致珊瑚死亡和珊瑚礁生态系统衰退。诸如大肠杆菌及其噬菌体之类的模型系统已经有助于理解宿主细胞应激与温和噬菌体行为之间的联系。在压力下，宿主的SOS反应系统裂解噬菌体编码的阻遏分子（CI），从宿主基因组中切除基因组的噬菌体DNA ，然后复制，最终导致细胞裂解。除了响应宿主信号外，温和噬菌体还可以操纵宿主生理。例如，噬菌体可以以惊人的方式参与宿主的“通讯”系统。霍乱弧菌CTXΦ噬菌体编码一种群体感应受体蛋白，该蛋白与宿主细胞密度依赖性因子（DPO）结合，触发了噬菌体中的裂解途径。噬菌体劫持宿主的通讯系统并介导溶原-裂解响应（即在低宿主细胞密度时有利于溶原，在高宿主细胞密度时启动裂解）。在一个更极端的例子中，芽孢杆菌噬菌体Φ3T编码一种小肽（arbitrium），它在细胞外释放并被其他细胞吸收。因此，该小肽的浓度影响裂解-溶酶响应，并代表病毒表型可塑性的一种形式，因此溶酶原与小肽水平正相关。当Φ3T噬菌体增殖时，受感染的细胞产生肽，可能是易感宿主局部缺失的信号。如果噬菌体继续裂解越来越稀少的宿主细胞，那么裂解感染的病毒后代将不太可能遇到易感宿主来感染（图2）。相反，具有高肽信号的细胞中的溶原性感染使病毒基因组能够作为溶原（即细胞内）在群体规模上持续存在，而不是在没有宿主（即细胞外）的情况下作为无宿主的颗粒（即细胞外）丢失或降解。这些交流策略可能在噬菌体-宿主系统中广泛存在，这些发现表明，温和性的病毒已经进化出可以根据环境和/或细胞信号来调节其感染方式。温和噬菌体感染状态对限制性修饰系统的反应性也存在类似的发现。总而言之，温和的噬菌体通常会调节它们是优先裂解宿主微生物还是在初始感染后引发溶原性，以及它们作为原噬菌体在宿主内停留的时间。因此，适度并不意味着自动启动溶酶原。相反，病毒感染表现出表型可塑性，使得来自环境（包括其他病毒和宿主细胞状态）的反馈调节给定病毒-宿主相互作用的感染模式。3 健康与病毒生命周期噬菌体基因组在细胞内存在不同的时间长度，这引发了一个重要的问题：为什么要温和而不是裂解？传统上，病毒的进化优势或适合性等同于环境中病毒颗粒的数量。源性模式不会产生任何病毒颗粒（至少短期内不会产生），但显然温和是进化上的适应性。因此，需要一种不同的方法来衡量病毒适合度。早期的研究认为温和的策略在低宿主细胞密度时是有利的，并且可以适应不断变化的环境。在水平和垂直传播病原体的流行病学动力学研究的基础上，最近的理论重新审视了这一假设，并提出通过检查细胞内外温和噬菌体的生命周期，以细胞为中心（而非粒子为中心）的方式测量病毒适合度（图2）。在细胞内，如果病毒基因组不能杀死宿主，它可以作为前噬菌体整合到微生物基因组中，作为染色体外元件（如附加体）或通过载体感染而持续存在，在裂解前，基因组被包装成病毒颗粒（在自然界中，在不理想的条件下，病毒颗粒会严重停滞）也会短暂存在。在细胞外，病毒基因组可能是“裸的”（尽管这种DNA或RNA的寿命可能很短）或在病毒颗粒内持续存在。由于温和的噬菌体在宿主细胞内外都能持久存在，一个特定的谱系可以根据其环境背景沿着感染的连续性动态滑动，从而潜在地增加其近期适应性（图1 ， 2）。当人们正式考虑细胞内开始和结束的“病毒生命周期”时，分析温和策略的进化优势是可能的。这样的形式化既适应了“virocell”概念也适用于溶酶原的常规定义。在这个框架中，给定病毒策略在宿主群体中的效用可以通过量化单个受感染细胞在其生命周期和其子代病毒颗粒的生命周期内平均产生多少新的病毒感染微生物细胞来确定（图2）。这一指标相当于基本繁殖数的流行病学概念，尽管它适用于病毒对微生物的感染，其中被感染的细胞（而不是病毒颗粒）用于测量增殖。当这个“繁殖数”大于1时，每个被感染的细胞至少产生一个被感染的细胞，而被感染的细胞又产生更多的被感染细胞，病毒谱系能够增殖。当这个数字小于1时，每个被感染的细胞产生的感染细胞（平均）少于一个，随着时间的推移导致感染的减少，直到病毒从人体中消失。因此，尽管裂解可能产生许多病毒粒子，但裂解策略的个体水平生存能力必须根据在细胞中引发新裂解感染的那些少数病毒粒子来计算（图2a ， c）。所以，裂解是寄生虫在微生物水平传播的一种形式。即使次优宿主的潜伏期或感染可能不会产生病毒粒子，但温和策略的个体水平生存能力可以根据新感染的子细胞（包含病毒基因组）进行计算（图2b ， d）。因此，溶原性代表了寄生虫在微生物规模上的垂直传播形式。确定传播途径的可行性需要用非线性种群动态模型来表达养分和其他影响病毒策略的外部因素之间的相互作用。从个体到群体，最终进入生态进化框架，需要一个动态的视角。从这个意义上说，使用基本繁殖数作为入侵的阈值标准是量化和了解微生物种群中病毒增殖的第一步。如果易感宿主细胞密度较低（图2cI ， dIII），那么有利于水平传播的毒力策略可能不会成功。例如，一个宿主细胞的裂解可能产生100个病毒粒子，但如果平均至少有99个病毒粒子在遇到并感染另一个宿主之前衰变（或变得不具传染性），那么入侵将在群体水平上失败，即使在单个细胞的规模上感染成功（图2cI）。细胞内和细胞间动力学之间的这种差异揭示了在某些条件下垂直传播的潜在益处（图2dIII），而在其他条件下则相反，通过毒力感染进行水平传播（图2cII）。在宿主很少，但有足够的资源用于细胞生长的环境中，设法遇到并感染宿主细胞（并整合其基因组）的噬菌体可能仍能增殖。只要溶酶原通常至少平均分裂一次，那么温和的策略就可以为病毒谱系提供进化上的优势（图2dIII）。病毒的增殖取决于遭遇、感染、建立、诱导和裂解效率等过程，而这些过程本身又取决于宿主细胞数量、细胞状态等因素。垂直传播需要细胞存活足够长的时间来分裂，并且噬菌体（整合的或染色质外的）以高保真度传递给子代细胞（图2d）。因此，增加细胞分裂或宿主细胞存活的噬菌体相关特性（例如，由于防御、增强的应激反应或异源免疫）可导致病毒和宿主的直接适应优势，甚至建立互惠伙伴关系。相比之下，水平传播要求病毒能够有效地感染细胞并释放新的感染颗粒，并且病毒颗粒在细胞外环境中存活足够长的时间以感染新细胞（图2c）。因此，对开关的遗传结构的修改可能导致噬菌体基因组对细胞内环境的反应方式的差异，从而可能导致随机开关整合或裂解的变化（在长时间内），以及随机开关整合后启动裂解的变化。对长期生态进化动力学的分析需要弥合近期入侵阈值（例如，通过基本繁殖数）与病毒生长率和长期适应度指标之间的差距。事实上，在足够长的关联中，病毒的生命周期可能与宿主的生命周期纠缠在一起，导致病毒-微生物关系本质发生根本性的变化。4 病毒-微生物共生考虑到病毒-宿主适应度轨迹的相互交织性质，确定了多种相互共生的病毒-宿主相互作用也就不足为奇了。微生物的有益病毒感染可广义地描述为保护宿主免受新的病毒感染（例如，通过超感染免疫和/或排斥），使宿主能够扩展其基本的或已实现的生态位和/或通过噬菌体介导的武器（例如，将噬菌体作为选择性的对抗性武器）来增强宿主的竞争力。尽管这些观点中的许多已经为噬菌体生态学家所熟知和接受，但并不一定在整个生物学领域都得到认可。相互作用影响微生物种群和群落水平的特征，以及单个细胞的命运，并通常会延长病毒与宿主的物理联系或共生关系的时间范围。