噬菌體：一個(gè)世紀(jì)的歷史回顧

李升偉/編譯

噬菌體：一個(gè)世紀(jì)的歷史回顧

李升偉/編譯

圖1噬菌體形態(tài)感染細(xì)菌的病毒首次描述于1915年，但是一直到了1940年才有了第一張噬菌體（箭頭）感染細(xì)菌的電鏡圖發(fā)表（圖1a）。早期的圖像幫助證實(shí)了這些歸因于噬菌體的效應(yīng)事實(shí)上是由病毒導(dǎo)致的，而不是由酶活性造成的。現(xiàn)代電子顯微鏡（圖1b、1c）得到的噬菌體圖像揭示了噬菌體的結(jié)構(gòu)和感染過程

●作為感染細(xì)菌細(xì)胞的小型病毒，噬菌體首次發(fā)現(xiàn)于1915年，百年以后的今天，這些噬菌體對基礎(chǔ)生物學(xué)、生物技術(shù)和人類健康的科研貢獻(xiàn)仍然行之有效、沒有減退，它們的百年華誕值得我們慶賀。

1915年，細(xì)菌學(xué)家弗雷德里克·圖爾特（Frederick Twort）發(fā)表了第一篇描述噬菌體類病毒的論文，它們可以感染細(xì)菌，在細(xì)菌體內(nèi)繁殖自己并殺死細(xì)菌細(xì)胞。從那以后，對這些病毒的研究，給生物學(xué)帶來了巨大的變化，人們把這些病毒命名為噬菌體。噬菌體為20世紀(jì)的分子生物學(xué)革命提供了實(shí)驗(yàn)體系和工具，它們的快速發(fā)展已經(jīng)使生態(tài)學(xué)和進(jìn)化的基礎(chǔ)原理得到了檢測。現(xiàn)在，我們知道了噬菌體是世界上最成功的生物學(xué)實(shí)體，它比任何其他生命形式都更加豐裕和具有遺傳多樣性。盡管它們的重要性是顯而易見的，但是這些迷人的實(shí)體的研究仍然還是一種小而全的科學(xué)行為。在此，我們簡要地回顧噬菌體研究的歷史，希望給新一代的噬菌體科學(xué)家們帶來鼓舞和激勵(lì)。

在20世紀(jì)早期，大多數(shù)噬菌體科學(xué)家都對使用病毒作為抗細(xì)菌生物感興趣。這是一個(gè)不受控制的科學(xué)試驗(yàn)時(shí)代，人們被注射以噬菌體，病毒被向水井中傾倒，都是為了希望殺死病原體性細(xì)菌、比如導(dǎo)致霍亂的細(xì)菌。正是1928年亞歷山大·弗萊明發(fā)現(xiàn)抗生素，使這樣的研究路線得到了戲劇性的減少。但是今天，由于抗生素抗性成為人們不得不關(guān)注的事實(shí)，“噬菌體療法”的概念重新受到了人們的關(guān)注。

其后，噬菌體科學(xué)的發(fā)展進(jìn)入了定量王國，一個(gè)研究網(wǎng)絡(luò)，由生物學(xué)家、生物化學(xué)家和物理學(xué)家組成并命名為“噬菌體群”，使用這些病毒作為模型，進(jìn)行生命是如何工作的前沿研究。1952年，阿爾弗雷德·赫爾希（Alfred Hershey）和瑪莎·蔡斯（Martha Chase）進(jìn)行了一項(xiàng)著名的實(shí)驗(yàn)，用一臺高速離心機(jī)將放射標(biāo)記的噬菌體從細(xì)菌細(xì)胞中去掉，幫助科學(xué)家們認(rèn)識到DNA是遺傳物質(zhì)，這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)后來獲得了諾貝爾獎。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了許多噬菌體編碼的DNA操作酶，比如DNA和RNA聚合酶、連接酶、核酸內(nèi)切酶和核酸外切酶，接連不斷地催生了分子生物學(xué)新認(rèn)識、發(fā)展了生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)。現(xiàn)在，世界各地每天都在使用著噬菌體蛋白質(zhì)。限制性酶類保護(hù)著細(xì)菌免受噬菌體感染，為分子生物學(xué)家們提供了另一種不可缺少的工具。這種趨勢持續(xù)到了今天，正如人們所見，研究細(xì)菌如何防御噬菌體，使得科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了CRISPR-Cas系統(tǒng)，隨之才有基因組編輯革命的到來。

隨著遺傳學(xué)密碼在20世紀(jì)中期得到了解析，對一個(gè)完整的基因組進(jìn)行測序成為了首要的研究目標(biāo)。噬菌體成為吸引人們眼球的目標(biāo)，因?yàn)樗鼈兊幕蚪M非常微小、還可以產(chǎn)生大量的DNA用于測序。弗雷德里克·桑格（Frederick Sanger）和同事們于1977年完成了對ΦX174噬菌體的整個(gè)基因組的測序，其測序技術(shù)在后來幾十年中的細(xì)胞基因組測序中得到了沿用。隨著更多其他噬菌體基因組測序完成，人們發(fā)現(xiàn)噬菌體可以在個(gè)體之間交換基因和大片斷的DNA，這種水平基因轉(zhuǎn)移的發(fā)現(xiàn)改變了我們對于遺傳變異性產(chǎn)生的認(rèn)識。海洋噬菌體群落是第一種被“鳥槍測序”的生物體，它催生了元基因組學(xué)（又稱宏基因組學(xué)）的產(chǎn)生，也就是對微生物群落中所有成員進(jìn)行大規(guī)模測序（并進(jìn)行比較分析研究）。

認(rèn)識噬菌體已經(jīng)幫助我們建立了對宿主細(xì)胞和疾病的基礎(chǔ)認(rèn)識。噬菌體整合入細(xì)菌基因組后，可以戲劇性地改變它們的細(xì)菌宿主的特征，這些宿主中最為致命的細(xì)菌性病原體，比如霍亂弧菌、志賀菌和沙門菌等，許多就是通過這種機(jī)制來獲得毒性因子的。分析噬菌體復(fù)制的生物學(xué)還揭示了噬菌體生命周期所需要的幾種關(guān)鍵宿主編碼因子，比如DNA旋轉(zhuǎn)酶和“分子伴娘”蛋白質(zhì)復(fù)合體GroEL和GroES。

1971年，美國總統(tǒng)理查德·尼克松公開宣布“對癌癥作戰(zhàn)”，噬菌體生物學(xué)家們被招募，活躍地參與到這場人體生物學(xué)研究之中。基于認(rèn)識到噬菌體編碼了一些蛋白質(zhì)，類似于宿主的蛋白質(zhì)，這些科學(xué)家們在人類基因組中尋找與其他病毒內(nèi)基因相似的基因。他們不僅發(fā)現(xiàn)了這些基因，還建立了“原癌基因”的概念，它們存在于人體基因組中，當(dāng)其突變時(shí)，是癌癥的主要病因。

另外一些噬菌體研究人員進(jìn)入了DNA誘變、修復(fù)和重組的領(lǐng)域，建立了今天我們對癌癥認(rèn)識的基礎(chǔ)。例如，科學(xué)家們認(rèn)識到預(yù)先存在的突變可以使得細(xì)胞個(gè)體具有在不同環(huán)境條件下的生長優(yōu)勢，從而引發(fā)這樣的理念：癌癥細(xì)胞荷載有數(shù)十種預(yù)先存在的突變，它們可能與真實(shí)的腫瘤相關(guān)、也可能不相關(guān)。在艾滋病流行以后，噬菌體研究人員們打開了大門，認(rèn)識到了逆轉(zhuǎn)錄病毒是如何整合入人類基因組的、什么樣的宿主蛋白質(zhì)參與其中。

在經(jīng)歷了20世紀(jì)70年代熱鬧的噬菌體研究之后，噬菌體科學(xué)家們轉(zhuǎn)向了不同的研究舞臺、對噬菌體的研究大幅度降溫。對于生物學(xué)家們的鐵錘來說，噬菌體無疑是一種強(qiáng)有力的鐵砧，為什么現(xiàn)在許多研究人員對它們沒有足夠的注意呢？一個(gè)原因可能是，正如在任何舊科學(xué)學(xué)科中頻繁發(fā)生的那樣，人們的認(rèn)識如同文獻(xiàn)一樣，經(jīng)歷了一種由博返約的過程，噬菌體也是如此。為了有助于應(yīng)對這種情況，我們提出了一些認(rèn)識噬菌體的指導(dǎo)原則：

一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)是噬菌體對生物學(xué)多樣性的貢獻(xiàn)。在地球上大概有超過1 031種噬菌體顆粒，每種細(xì)菌細(xì)胞則有大約10種噬菌體顆粒。在人體中，兩個(gè)個(gè)體之間主要的遺傳差異是他們胃內(nèi)的噬菌體。在其他作用中引人注目的是，這些病毒形成了適應(yīng)性強(qiáng)的免疫系統(tǒng)，其基礎(chǔ)是應(yīng)用了免疫球蛋白樣蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)域高度可變的特性，類似于抗體的使用機(jī)理（以變應(yīng)變）。

一個(gè)概念是噬菌體攜帶的基因所編碼的蛋白質(zhì)參與了調(diào)節(jié)宿主的基礎(chǔ)生理學(xué)過程，比如新陳代謝和抗生素抗性。有個(gè)迷人的例子發(fā)生在海洋藍(lán)藻細(xì)菌的光合作用中，這些細(xì)菌產(chǎn)生的光收集觸角復(fù)合體的部件在噬菌體感染后是高度不穩(wěn)定的、易于腐敗。但是噬菌體攜帶的基因可以編碼受損蛋白質(zhì)的替代品，使得細(xì)菌得以持續(xù)產(chǎn)生生物質(zhì)，而噬菌體如同爆炸般產(chǎn)生大量后代。因此，這些海洋噬菌體通過增加光合作用的效能和產(chǎn)量，對海洋碳的巨量轉(zhuǎn)換做出了偉大的貢獻(xiàn)。

一種教訓(xùn)是任何細(xì)菌細(xì)胞的小而全的空間結(jié)構(gòu)是由其噬菌體決定的。進(jìn)化關(guān)系緊密相關(guān)的細(xì)菌之間的主要基因組學(xué)差異來源于整合進(jìn)來的噬菌體（原噬菌體）及其基因組學(xué)事件，從插入或缺失到重大重排，有助于保衛(wèi)細(xì)菌免受噬菌體感染。這種從不停止的由其噬菌體施加于細(xì)菌的選擇壓力是“紅皇后假說”的最佳特征性的例子，也就是說，出于生存的需要，捕食動物與被捕食動物必須持續(xù)不斷地進(jìn)化。

展望噬菌體，它的未來會是怎樣的呢？這些種類的病毒相對容易合成，它們的基因組擁有模塊化的特征，迎合了合成生物學(xué)家們的需要、對生物學(xué)功能進(jìn)行工程化研究和實(shí)施。值此噬菌體被發(fā)現(xiàn)100周年之際，我們希望我們的生物學(xué)家伙伴們，放棄他們的細(xì)胞中心習(xí)慣，擁抱噬菌體吧！

[資料來源：Nature][責(zé)任編輯：彥隱]

本文作者弗瑞斯特·羅韋爾（Forest Rohwer）、安卡·M·西格爾（Anca M.Segall），現(xiàn)供職于美國加州圣地亞哥州立大學(xué)生物學(xué)系病毒信息研究所。