【文献速递】口腔附生菌TM7x调控宿主抗噬菌体感染及促进共存的机制研究

【研究简介】

本研究聚焦人类口腔微生物组中附生菌Saccharibacteria TM7x与宿主细菌Schaaliaodontolytica XH001、烈性噬菌体LC001的三方互作关系。通过噬菌斑测定、吸附实验、转录组分析、基因功能验证及共进化实验，证实TM7x可通过下调XH001中细胞壁多糖（CWP）基因簇（APY09_00485-00540）的表达，减少噬菌体结合受体，从而保护XH001免受LC001捕食。此外，TM7x关联与非关联XH001形成的异质种群，通过“源-汇”动态（敏感菌株为噬菌体提供繁殖“源”，抗性菌株为种群保存“汇”），促进细菌与噬菌体的长期共存。该研究揭示了附生体介导的噬菌体抗性新机制，为理解宿主相关微生物组中物种互作的生态平衡提供了关键理论依据，相关成果发表于《PNAS》2024年期刊（Qiu et al., PNAS, 2024）。

【研究背景和目的】

微生物组是宿主健康的重要调控者，其中噬菌体与细菌的动态互作是塑造群落结构、驱动生态演化的核心力量。在人类口腔微生物组中，细菌已进化出受体修饰、CRISPR-Cas系统等多种抗噬菌体机制，而噬菌体也通过突变受体结合蛋白等策略实现反防御，但二者长期共存的具体调控因素仍未明确。

Saccharibacteria作为口腔微生物组的优势类群，具有独特的附生共生特性——无法独立培养，需依赖宿主细菌表面生存并调控其生理功能。此前研究已分离出首个可培养的Saccharibacteria菌株TM7x，其宿主为牙斯卡利亚菌XH001，二者的共生关系可影响XH001的生长速率与致病性。同时，研究发现烈性噬菌体LC001对XH001的感染具有生长模式特异性，仅攻击表面生长菌株，对浮游菌株无杀伤作用。

基于上述背景，本研究围绕三大核心科学问题展开：一是TM7x是否调控XH001对LC001的感染敏感性；二是若存在调控作用，其分子机制是什么；三是TM7x能否通过调节细菌-噬菌体互作，促进三者在口腔微环境中的长期共存。

【研究内容与结果】

1. TM7x对XH001的噬菌体抗性保护作用

为明确 TM7x 在抵御 LC001 感染中对 XH001 的影响，作者首先通过噬菌斑测定与吸附实验验证了二者的互作关系。结果显示，在噬菌斑实验中，LC001 与 XH001 单培养物混合后可形成大量清晰的噬菌斑，而在 TM7x/XH001 共培养体系中噬菌斑数量则显著减少，提示 TM7x 能抑制 LC001 对 XH001 的裂解作用。进一步的吸附实验采用 SYBRGreen 荧光标记 LC001，结合荧光显微镜与电镜观察发现，XH001 对 LC001 的吸附率超过 90%，而 TM7x/XH001 的吸附率不足 20%（P < 0.05）。荧光成像结果显示，LC001 可大量结合于 XH001 表面，但几乎无法结合在与 TM7x 共生的 XH001 上；冷冻电镜断层扫描（cryo-ET）及透射电镜（TEM）进一步证实，LC001 的尾丝能够锚定于 XH001 表面，而在 TM7x 关联菌株表面则未观察到噬菌体结合。综上所述，这些结果表明 TM7x 通过显著抑制 LC001 对 XH001 的吸附，从而发挥了对宿主的保护作用。

图1：TM7x保护XH001免受LC001捕食的实验验证

2. TM7x介导抗性的分子机制——CWP基因簇的表达调控

为解析 TM7x 抑制噬菌体吸附的分子机制，作者通过基因表达分析与功能验证逐步锁定关键调控通路。首先，在抗性可逆性与非遗传性实验中，从 TM7x/XH001 共培养物中分离出的 TM7x-free XH001，经 PCR 确认 TM7x 缺失后，其对 LC001 的吸附率与敏感性均恢复至野生型水平，表明 TM7x 诱导的抗性并非基因突变造成，而是依赖于与宿主的共生状态，具有瞬时且可逆的特征。随后，通过对 XH001 与 TM7x/XH001 进行 RNA 测序，主成分分析（PCA）显示两组样本的基因表达模式显著分离，共鉴定出 335 个差异表达基因（145 个上调，190 个下调，P < 0.05，|log₂FoldChange| > 1）。其中，一个预测参与革兰氏阳性细菌细胞壁多糖（CWP）生物合成的基因簇（APY09_00485–00540）下调最为显著，该簇包含 UDP-磷酸半乳糖转移酶、糖基转移酶等与细胞壁结构密切相关的关键基因。进一步的功能验证结果显示，在构建的 CWP 基因簇过表达菌株 XH001::CWP 中（通过在 APY09_00540 上游插入强启动子），qRT-PCR 证实 CWP 基因表达量恢复至野生型水平；吸附实验与噬菌斑测定表明，即使在与 TM7x 共生的条件下，XH001::CWP 对 LC001 的吸附率与敏感性仍显著高于 TM7x/XH001；同时，电镜观察进一步确认 LC001 可重新结合于 XH001::CWP 的表面。综上所述，这些结果证实 TM7x 通过下调 XH001 中 CWP 基因簇的表达，削弱噬菌体结合受体的形成，从而抑制 LC001 的吸附。

图2：TM7x-freeXH001的抗性可逆性验证

图3：XH001与TM7x/XH001的转录组分析

图4：CWP基因簇的功能验证

3. 生长模式对XH001噬菌体敏感性的影响

结合此前 LC001 对 XH001 的感染特异性，作者进一步通过转录组分析探究了生长模式与抗性的关联。RNA 测序结果显示，浮游与表面生长的 XH001 在基因表达上存在显著差异，共鉴定出 872 个差异表达基因（P < 0.05，|log₂FoldChange| > 1），其中 CWP 基因簇在浮游菌株中显著下调，这一表达模式与 TM7x 共生状态下高度一致。功能验证结果进一步表明，在构建的浮游 XH001::CWP 菌株中，其对 LC001 的吸附率显著高于野生型浮游 XH001，并可被 LC001 有效裂解。综上所述，无论是由 TM7x 共生还是浮游生长所导致，XH001 的噬菌体抗性均与 CWP 基因簇的低表达密切相关，从而进一步证实 CWP 是 LC001 的关键结合受体。

图5：浮游与表面生长XH001的转录组与功能验证

4. TM7x促进细菌与噬菌体的长期共存

为验证 TM7x 对 XH001–LC001 共进化的影响，作者开展了 10 代连续传代的共培养实验。种群动态监测结果显示，将 LC001 分别与 XH001 或 TM7x/XH001 共培养，并每 48 小时传代一次，在整个 10 代过程中，两组的细菌密度（OD600）与噬菌体效价（PFU/mL）均保持稳定，噬菌体效价维持在 10⁷–10⁹ PFU/mL 范围内，表明 TM7x 的存在并未破坏噬菌体与宿主的共存平衡。进一步的交叉感染实验显示，在 XH001 单培养组中，第 5 代细菌已对第 0 代噬菌体产生抗性，呈现典型的“军备竞赛”模式；而在 TM7x/XH001 组中，第 5 代分离的 TM7x-free XH001 仍对第 0 代噬菌体保持敏感，直至第 10 代才出现抗性。这些结果表明，TM7x 能延缓细菌–噬菌体的共进化速率，通过维持敏感菌株的存在为噬菌体提供持续繁殖的“源”，同时抗性菌株则保障细菌种群的延续，从而形成“源–汇”动态平衡。

图6：细菌-噬菌体共进化实验

【讨论】

本研究系统揭示了附生菌 TM7x 通过调控宿主细菌抗噬菌体感染从而促进三者共存的分子机制与生态意义，主要贡献体现在三个方面。首先，在机制上，发现了一种不同于传统基因变异或防御系统（如 CRISPR-Cas、限制修饰系统）的抗性途径，即附生菌通过转录调控宿主基因表达赋予抗性：TM7x 下调 XH001 的 CWP 基因簇，减少噬菌体结合受体，且该抗性具有瞬时可逆性，脱离 TM7x 后即可消失。这一机制为“表型可塑性”在微生物互作中的作用提供了新证据，并拓展了对噬菌体–细菌互作调控方式的认知。其次，在受体鉴定方面，本研究明确了 CWP 基因簇（APY09_00485–00540）的产物是 LC001 的关键结合受体，其表达水平与 XH001 的噬菌体敏感性呈正相关：表面生长菌株中 CWP 高表达，因而易感；浮游菌株与 TM7x 关联菌株中 CWP 低表达，因而抗性。这一发现不仅揭示了 LC001 感染的生长模式特异性，也为革兰氏阳性细菌噬菌体受体的研究提供了新突破。第三，在生态层面，本研究提出了“源–汇”动态平衡模型：在 TM7x/XH001 共培养物中，敏感菌株作为“源”为噬菌体提供繁殖基础，抗性菌株作为“汇”维持细菌种群延续，二者共同促进噬菌体、宿主与附生菌的长期共存。该模型强调了种群异质性在口腔微生物互作中的核心作用，为理解口腔微生物组稳定性提供了新视角。尽管如此，本研究仍存在一定局限性，例如 TM7x 下调 CWP 基因簇的具体分子信号尚不清楚，体外共培养体系也无法完全模拟口腔复杂环境。未来研究可通过蛋白质互作实验筛选 TM7x 的效应分子，并结合动物模型验证“源–汇”动态在体内的适用性。综上，本研究不仅揭示了附生菌–宿主–噬菌体三方互作的新机制，也为口腔微生物组的生态调控和噬菌体疗法的优化提供了理论基础，并提示可通过调控 TM7x 的丰度来调节致病菌对噬菌体的敏感性，从而为口腔感染性疾病的防治提出新的策略。

图7：“源-汇”动态平衡

【启示】

本研究为噬菌体产业提供了重要启示：噬菌体疗法的效果不仅取决于噬菌体与目标细菌本身，还可能受到细菌共生体或附生菌的深度调控。TM7x 通过影响宿主受体的表达即可改变噬菌体感染效率，提示在开发和应用噬菌体疗法时，应综合考虑微生物群落中的互作因素，而不仅局限于单一宿主菌株。这不仅有助于提升噬菌体制剂的设计精准性，也为通过调控微生物互作来增强或减弱噬菌体疗效提供了新思路，从而推动噬菌体产业向更具生态学视角和临床适用性的方向发展。

本文译自：

Episymbiotic Saccharibacteria TM7x modulates the susceptibility

of its host bacteria to phage infection and promotes

their coexistence

编译：宋陈、李孟霖