本研究揭示了脑膜炎奈瑟菌(Neisseria meningitidis)丝状噬菌体MDA通过识别带正电荷的IV型菌毛(Type IV pili)变异体而促进细菌定植的新机制。研究人员发现MDA噬菌体不依赖菌毛尖端蛋白而沿菌毛纤维结合，且优先感染表达高粘附性PilESD变异体的细菌。该发现阐明了噬菌体感染与细菌抗原变异间的关联，为理解病原体定植机制提供了新视角。
广告
X
在人类病原体与寄生噬菌体的共同进化过程中，丝状噬菌体以其独特的非裂解性生活周期成为调控细菌致病性的关键因子。脑膜炎奈瑟菌(Neisseria meningitidis)作为人类鼻咽部的常见共生菌，在特定条件下可侵入血液引发脑膜炎和败血症。其中，与侵袭性疾病密切相关的丝状噬菌体MDA（Meningococcal Disease Associated phage）被发现在上皮定植过程中通过促进生物膜形成增强细菌致病力。然而，这种噬菌体如何与细菌的感染关键因子——IV型菌毛(Type IV pili)相互作用，以及这种相互作用如何影响细菌群体的适应性，始终是领域内未解之谜。传统认知中，丝状噬菌体如大肠杆菌的Ff噬菌体和霍乱弧菌的CTXφ噬菌体，均通过其吸附蛋白与菌毛尖端特异性结合而启动感染。但由Clémence Mouville、Antoine Brizard等研究人员在《Nature Communications》发表的最新研究，却揭示了MDA噬菌体采用了一种前所未有的感染策略。该研究团队发现，MDA噬菌体能够直接识别IV型菌毛纤维表面带正电荷的氨基酸残基，而非依赖菌毛尖端蛋白。更引人注目的是，这些易被噬菌体识别的菌毛变异体恰好是介导细菌与宿主细胞粘附能力最强的变异体，从而在细菌群体中建立了一种"噬菌体感染-高粘附性变异体选择-定植增强"的正反馈循环。为系统解析MDA噬菌体与IV型菌毛的相互作用机制，研究团队整合了多种关键技术方法：通过构建系列菌毛机器基因突变体库进行表型筛选；利用透射电镜和STED超分辨显微镜直接观察噬菌体-菌毛相互作用；采用细菌双杂交系统检测蛋白互作；结合AlphaFold结构预测分析菌毛表面电荷分布；建立体外粘附模型评估细菌与上皮/内皮细胞相互作用；并通过qPCR定量分析细菌群体中特定菌毛变异体的动态变化。研究结果揭示了多个重要发现。在"IV型菌毛机器及PilE变异体在MDA噬菌体感染中的作用"方面，研究人员通过系统筛选发现，噬菌体转导绝对依赖于可回缩的IV型菌毛，且不同PilE变异体（如PilESA与PilESB）表现出显著差异的噬菌体感染效率，提示菌毛序列本身可能直接影响感染过程。关于"PilE抗原变异对噬菌体转导的影响"，研究团队通过测序分析发现，在表达PilESA的菌株中，经过噬菌体感染和抗生素筛选后，群体中占主导地位的菌毛变异体从PilESA转变为从pilS3沉默基因座重组而来的PilESD变异体。在抑制同源重组的△recA突变株中，PilESA表达菌株几乎完全抵抗噬菌体感染，而PilESD表达菌株则保持高感染率，证实抗原变异是产生噬菌体易感变异体的关键机制。在"IV型菌毛尖端非MDA入侵必需"的验证中，研究人员通过构建PilC1蛋白系列缺失突变体发现，即使缺失N端843个氨基酸（包含推测的粘附结构域），只要菌毛生物合成不受影响，噬菌体感染效率仍得以维持。细菌双杂交实验也未检测到噬菌体吸附蛋白ORF6与菌毛尖端蛋白（PilC1/2，PilH，PilI，PilJ，PilK）间的直接相互作用，共同支持MDA噬菌体不依赖菌毛尖端的独特感染模式。通过"MDAφ与菌毛纤维的相互作用"直接观察，免疫电镜和STED超分辨显微镜图像清晰显示，噬菌体沿菌毛纤维全长分布，而非集中于尖端。定量结合实验进一步证实，噬菌体与PilESD变异体的结合量显著高于PilESA变异体，且这种结合不依赖于ORF6蛋白，表明噬菌体衣壳蛋白与菌毛纤维间存在直接相互作用。关于"MDAφ转导与带正电菌毛的关联"，研究人员通过AlphaFold结构预测和静电势分析发现，高转导效率的PilESD变异体表面富含正电荷氨基酸，而低转导效率的PilESA则带负电。通过定点交换实验证实，决定转导效率的关键区域是PilE蛋白的D区，其氨基酸组成直接影响菌毛表面电荷分布。在"粘附与转导共同选择相同pilS基因座"的验证中，研究发现细菌与人上皮细胞（FaDu）或内皮细胞（EA.hy926）粘附后，群体中PilES3变异体的比例显著增加，同时噬菌体转导效率提高约4倍。反之，噬菌体感染后的细菌群体对宿主细胞的粘附能力增强4.7-10.6倍，证明粘附与噬菌体感染间存在双向促进关系。最终，在"粘附过程中噬菌体感染细菌的富集"实验中，研究人员发现无需抗生素选择，单纯与宿主细胞粘附3小时即足以使MDA阳性细菌比例增加2.1-2.4倍，完美模拟了自然环境下噬菌体在细菌群体中的传播与富集过程。研究结论与讨论部分指出，这项工作首次在分子水平证实丝状噬菌体可沿IV型菌毛纤维而非尖端进行结合，打破了传统认知中丝状噬菌体必须通过菌毛尖端感染的范式。研究发现MDA噬菌体通过静电相互作用识别带正电荷的菌毛变异体，而这些变异体恰好是介导细菌与宿主细胞粘附最强的变异体，从而在细菌群体中建立了一个自我强化的循环：粘附性强的细菌更易被噬菌体感染→噬菌体整合促进生物膜形成→生物膜环境富集高粘附变异体→进一步增强群体粘附能力。这种噬菌体与宿主菌的互惠关系，不仅解释了为何MDA噬菌体在侵袭性脑膜炎奈瑟菌株中如此普遍，也为理解其他病原体中丝状噬菌体与毒力的关联提供了新框架。该研究揭示的"感染-粘附"协同进化机制，可能普遍存在于宿主-病原体-噬菌体三方相互作用中，为开发针对病原体定植环节的新型抗感染策略提供了理论依据。
