有些病毒都成精了!可监视宿主行为协调发动攻击

2018/12/22 17:12:28 来源:网易科技 作者:小小 责编:骑士

病毒与为其提供生存环境的宿主(细菌)之间,总是上演着“猫捉老鼠”的游戏。一旦发现病毒的踪迹,宿主的免疫系统就会启动,誓要将它们赶尽杀绝。对此,病毒也绝不会束手待毙。最新研究显示,通过监视宿主行为,有些病毒可交换信息,等待时机,然后协调行动。

图:普林斯顿大学生物学家邦妮·巴斯勒(Bonnie Bassler)与学生贾斯汀·西尔普(Justin Silpe)发现,有些病毒可监视宿主行为,并协调发动攻击

当细菌之间进行交流时,邦妮·巴斯勒(Bonnie Bassler)会仔细倾听。她只是从来没有想到,病毒也在监视其宿主的行为。自上世纪90年代以来,这位普林斯顿大学生物学家一直在研究称为“群体感应”(quorum sensing)的现象。在这种情况下,细菌会释放出分子,表明周围有多少同类。通过这些信息,它们可以协调自己的行为,等到数量积累到足够多的时候,才会采取某些集体行动,如发动传染性攻击。

巴斯勒的学生贾斯汀·西尔普(Justin Silpe)现在发现,病毒也可以窃听这些信号,以达到邪恶的目的。这种病毒是一种噬菌体,即能感染并杀死细菌的蜘蛛状物质。一旦它感染了宿主,可能采用两种模式:等待或展开杀戮。如果选择后者,它会使大量子病毒通过宿主大规模爆发,从而感染其他宿主。但是如果周围没有其他宿主呢?巴斯勒说:“如果你是病毒,如果你不进入宿主体内,那你就完蛋了。”

正如西尔普所发现的,噬菌体通过检测细菌用来测量同类数量的群体感应信号,来避免这种命运。它可以等待在某个宿主体内数量达到充足程度时,才会杀死一个宿主,以便让它的后代有更多宿主可供感染。巴斯勒说:“偷听群体感应分子是非常狡猾的行为,以前没人见过。”

群体感应已经是个革命性的概念。几十年来,巴斯勒发现了它的更多细节,她和其他研究人员震惊地意识到,像细菌这样的简单生物体也能够交流和协调。但是病毒更简单。从技术上讲,它们甚至都不是活着的,它们与细菌是完全不同的实体,但它们拦截并解读了相同的分子信息。

这一发现的种子是几年前埋下的,当时巴斯勒的团队在霍乱弧菌(Vibrio cholerae)中发现了一种新的群体感应系统。霍乱弧菌是能够引起霍乱的细菌,它分泌一种叫做DPO的信号分子,并利用被称为VqmA的蛋白质来检测这种分子。当细菌开始感染宿主时,宿主周围的细菌并不多,它们产生的DPO信号就会飘散。但随着它们的数量膨胀,信号变得更加集中,并开始降落在VqmA探测器上。

当这种情况发生时,它会触发一系列基因对细菌进行重新编程,关闭细菌的感染能力,开启细菌的扩散能力。巴斯勒说,这就是为何霍乱属于一种潜伏疾病的部分原因。通过群体感应,霍乱弧菌可以等到时机成熟后,才“在宿主体内成千上万地释放出来,进而感染更多宿主”。

通过在线数据库搜索,西尔普发现,许多密切相关的霍乱弧菌也有类似VqmA的检测器。但很显然,名为VP882的病毒噬菌体也是如此。10年前,几位中国台湾研究人员从一种海洋弧菌中发现了这种噬菌体。这是偶然的巧合吗?亦或是数据库中的错误?或者,就像西尔普所言的那样,病毒可能以某种方式窃取了宿主的信息?

巴斯勒指出:“我想,我们要在这上面浪费很多时间,因为这是个疯狂的错误,但我们就是这么做的。”发现VP882病毒的研究人员已经退休,但在此之前,他们将宿主细菌的样本放入了储存库中。西尔普花了6个月的时间才找到那个珍贵的样本.幸运的是,那些细菌里仍然含有一些病毒。

通过仔细的实验,西尔普证明了他的预感是正确的,病毒版本的VqmA确实可以检测到细菌释放的同样的DPO信号。当它们这样做的时候,它们会促使处于无害等待状态的病毒开始杀死宿主。巴斯勒称:“这里面有个十分有趣的逻辑:在较高的密度下,霍乱这种寄生细菌想要离开宿主,进入其他宿主体内。在高密度下,作为细菌寄生体的病毒,也想要离开它的宿主,进入另一个宿主体内。它们在做同样的事情,并使用相同的信号分子。”

病毒也不仅仅是窃听信息,还记得霍乱细菌是如何利用VqmA检测器从感染转移到传播的吗?西尔普发现,病毒版本的VqmA可以启动相同的遗传程序,迫使其细菌宿主分散。巴斯勒解释称:“噬菌体在准备杀死霍乱细菌的同时,也在干扰数以百计的细菌基因。”也许这都是相同策略的重要组成部分:噬菌体不仅确保其后代有足够多的宿主可以感染,而且还确保这些宿主传播得更远更广。

VP882病毒还有一个奇怪的特性:与大多数仅限于特定宿主的噬菌体不同,它可以感染多种细菌。它只监听霍乱弧菌交换的信息,但是西尔普设法使它能够窃听其他细菌释放的信息,包括沙门氏菌和大肠杆菌。当它检测到只存在于目标体内的分子时,就会杀死它们。这种随机的病毒现在是一种可编程的刺客,西尔普可以设置它来追踪特定的目标。巴斯勒称:“这就像是进化给我们的礼物。”

几十年来,科学家们一直试图用噬菌体来治疗细菌性疾病,而这些噬菌体疗法现在看起来前景似乎特别光明,因为许多细菌已经进化到能够抵抗传统抗生素的水平。但有一个问题:噬菌体在宿主体内通常很挑剔,因此研究人员需要为每一种想要治疗的细菌感染找到一种特定的病毒。

西尔普的研究提供了另一种策略。美国加州大学旧金山分校研究噬菌体的阿戴尔·博尔赫斯(Adair Borges)说:“他们建议使用一种混杂的噬菌体,这种噬菌体可以感染许多不同种类的细菌,但只会在预先设定的信号下杀死细菌。这是噬菌体疗法的一个有趣尝试,它能让被杀死的细菌具有更强的特异性和控制力。”

然而巴斯勒警告说:“这还不是噬菌体疗法。”她和西尔普只在试管中测试了他们的可编程噬菌体,其他研究人员需要看看同样的方法是否适用于临床。他们更感兴趣的是研究噬菌体在自然界中是如何工作的,他们注意到研究人员长期以来低估了这些病毒。

例如,由魏茨曼科学研究所的罗特姆·索雷克(Rotem Sorek)去年领导的研究小组发现,有些噬菌体拥有自己版本的群体感应能力,它们交换信息,告诉自己什么时候杀死宿主。巴斯勒说:“这些都是非生物的病毒,古老的交流机制是多么美妙!”

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关键词:病毒宿主

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