在微生物世界中，溫和噬菌體與宿主細(xì)菌之間形成了一種微妙的共生關(guān)系。以銅綠假單胞菌為例，其攜帶的溶原Pf絲狀噬菌體的激活是生物膜中最顯著的特征之一。這一溫和噬菌體的激活賦予了宿主菌抵抗真核宿主的免疫吞噬和清除。Pf的大量激活也會(huì)形成特殊的束狀的液晶結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)生物膜的抗生素抵抗能力，是宿主菌發(fā)揮毒力和引發(fā)反復(fù)性感染的核心過(guò)程。但這些原噬菌體如何在生物被膜中被激活的機(jī)制有待闡明，對(duì)這一過(guò)程的認(rèn)知對(duì)于解決臨床的生物膜感染有重要的指導(dǎo)意義。

毒素-抗毒素（Toxin-Antitoxin System,TA）系統(tǒng)是細(xì)菌中普遍存在的遺傳模塊，傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為這類(lèi)系統(tǒng)的調(diào)控主要依賴(lài)于不穩(wěn)定的抗毒素被蛋白酶選擇性降解，從而釋放穩(wěn)定的毒素。中國(guó)科學(xué)院南海海洋研究所王曉雪團(tuán)隊(duì)近年來(lái)在Pf噬菌體調(diào)控領(lǐng)域取得了一系列進(jìn)展，先后報(bào)道了Pf6原噬菌體編碼的三組分TA系統(tǒng)KKP（PfkA-PfkB-PfpC）通過(guò)磷酸化控制溶原—裂解轉(zhuǎn)換（Nat Commun, 2024），以及Pf4與Pf6噬菌體通過(guò)RepG4-PfpC軸實(shí)現(xiàn)分子對(duì)話(huà)（Nat Commun, 2025）。然而，Pf4原噬菌體自身編碼的TA系統(tǒng)PfiAT的調(diào)控機(jī)制及其在噬菌體產(chǎn)生中的具體功能，仍有待闡明。

2026年4月3日，該團(tuán)隊(duì)在Science Advances上發(fā)表題為Phosphorylation of PfiA Modulates Pf4 Phage Production through PfiA/PfiT Stoichiometric Reconfiguration in Pseudomonas aeruginosa 的研究論文，揭示了Pf4噬菌體編碼的PfiAT系統(tǒng)采用了不同于經(jīng)典模型的調(diào)控策略。

游離毒素池：維持溶原狀態(tài)的關(guān)鍵

在pfiAT TA操縱子中，pfiA與pfiT基因共轉(zhuǎn)錄且擁有相同的核糖體結(jié)合位點(diǎn)，在mRNA和蛋白水平上，毒素蛋白和抗毒素蛋白保持1：1的水平，且抗毒素蛋白穩(wěn)定性與毒素相當(dāng)。然而，研究團(tuán)隊(duì)解析PfiAT復(fù)合物2.3 ?分辨率的晶體結(jié)構(gòu)后發(fā)現(xiàn)，抗毒素PfiA與毒素PfiT以6:4的化學(xué)計(jì)量比組裝成十聚體復(fù)合物，這是目前已知同家族中最大的二元復(fù)合物。這意味著在蛋白表達(dá)水平相當(dāng)?shù)那闆r下，這種組裝模式會(huì)導(dǎo)致一部分PfiT毒素?zé)o法被PfiA抗毒素結(jié)合，從而在胞質(zhì)中形成游離毒素池。功能實(shí)驗(yàn)表明，這些游離毒素通過(guò)一種類(lèi)似質(zhì)?！胺蛛x后致死效應(yīng)”(Post-segregational killing, PSK) 的機(jī)制抑制Pf4原噬菌體的切除，使噬菌體維持在溶原狀態(tài)。當(dāng)敲除pfiT或截短其C端延伸時(shí)，突變菌株在生物膜發(fā)育早期即可產(chǎn)生大量噬菌體，證實(shí)了游離毒素池對(duì)溶原維持的關(guān)鍵作用。

磷酸化修飾驅(qū)動(dòng)TA化學(xué)計(jì)量轉(zhuǎn)換

研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，共定位于同一宿主基因組的Pf6原噬菌體編碼的激酶PfkA/PfkB可磷酸化PfiA抗毒素的T5位點(diǎn)。磷酸化模擬突變（T5D）導(dǎo)致PfiAT復(fù)合物從107.7 kDa的十聚體（T:A= 4:6）轉(zhuǎn)變?yōu)?1.5 kDa的四聚體 (T:A = 2:2)，同時(shí)喪失DNA結(jié)合能力和轉(zhuǎn)錄抑制活性。更重要的是，這一重排過(guò)程需要招募胞質(zhì)中的游離PfiT，從而有效消耗了毒素池，解除了對(duì)原噬菌體切除的抑制，最終誘導(dǎo)Pf4噬菌體產(chǎn)生。相比之下，磷酸化模擬突變S7D和S67D則不影響復(fù)合物的化學(xué)計(jì)量比，表明T5位點(diǎn)的磷酸化具有特異性功能。

結(jié)構(gòu)分析揭示復(fù)合物組裝與調(diào)控機(jī)制

進(jìn)一步解析了磷酸化修飾抗毒素對(duì)PfiAT復(fù)合物的組裝模式的影響。結(jié)構(gòu)分析顯示，PfiT毒素的C端擁有一個(gè)由15個(gè)氨基酸組成的額外α螺旋，該螺旋像“塞子”一樣插入由五個(gè)α螺旋形成的桶狀空腔中，對(duì)維持TA復(fù)合物十聚體結(jié)構(gòu)具有重要作用。當(dāng)截短該C端延伸時(shí)，復(fù)合物急劇縮小為26.2 kDa的PfiA?PfiT?異源三聚體，且完全喪失DNA結(jié)合能力。

T5位于兩個(gè)相鄰PfiA二聚體的相互作用界面上，參與形成由V3、T5和P30構(gòu)成的疏水堆疊網(wǎng)絡(luò)。磷酸化引入的負(fù)電荷破壞了這一相互作用，導(dǎo)致復(fù)合物解聚重排。此外，研究團(tuán)隊(duì)在PfiA的N端發(fā)現(xiàn)了一個(gè)之前未被表征的DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域，命名為PAD（PfiA-like Antitoxin DNA-binding）結(jié)構(gòu)域。在PfiA?PfiT?復(fù)合物中，三個(gè)PfiA二聚體協(xié)同識(shí)別啟動(dòng)子區(qū)的三個(gè)不同DNA區(qū)域，這種多價(jià)結(jié)合模式有助于提高轉(zhuǎn)錄抑制的特異性。值得注意的是，PfiA抗毒素須與PfiT形成復(fù)合物才能結(jié)合自身啟動(dòng)子，這與大多數(shù)II型TA系統(tǒng)中抗毒素可單獨(dú)結(jié)合DNA的經(jīng)典特征有所不同。

從“降解”到“重構(gòu)”：TA系統(tǒng)調(diào)控的新視角

該研究揭示了一種TA系統(tǒng)的新型調(diào)控機(jī)制，即通過(guò)翻譯后修飾改變毒素與抗毒素的化學(xué)計(jì)量比，從而調(diào)控游離毒素的水平，進(jìn)而影響下游生物學(xué)過(guò)程。這一發(fā)現(xiàn)為溫和噬菌體的溶原-裂解轉(zhuǎn)換提供了新的調(diào)控視角。結(jié)合該團(tuán)隊(duì)此前報(bào)道的KKP TA系統(tǒng)與RepG4-PfpC調(diào)控軸，兩者共同構(gòu)成了兩個(gè)“姐妹原噬菌體“之間較為完整的分子對(duì)話(huà)網(wǎng)絡(luò)，揭示了共存于同一宿主基因組中的兩個(gè)原噬菌體如何在生物膜發(fā)育過(guò)程中實(shí)現(xiàn)有序激活與協(xié)同釋放，從而協(xié)同促進(jìn)宿主菌在真核宿主中的生存能力。針對(duì)KKP的活性設(shè)計(jì)激酶抑制劑，是控制生物膜發(fā)育的有效干預(yù)策略。

中國(guó)科學(xué)院南海海洋研究所王曉雪研究員為論文通訊作者，陳冉助理研究員為論文第一作者。

圖1. PfiAT操縱子的調(diào)控機(jī)制圖

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aeb5480

制版人： 十一

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