噬菌体JBD44通过调控宿主氨基酸代谢驱动高效复制的分子机制

这篇研究揭示了铜绿假单胞菌噬菌体JBD44通过早期表达膜蛋白Eht1/Eht2，重编程宿主氨基酸代谢（尤其是精氨酸-腐胺通路）和c-di-GMP信号，显著提升噬菌体复制效率。该发现为理解噬菌体-宿主互作（bacteria-phage relationship）提供了新视角，并为抗感染治疗（anti-phage therapy）策略开发奠定理论基础。

　　

噬菌体重编程宿主代谢的精密策略

ABSTRACT

噬菌体JBD44感染铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa）时，通过早期表达的膜蛋白Eht1和Eht2（Early Host Takeover）重塑宿主代谢网络。这两种蛋白显著提升精氨酸衍生物腐胺（putrescine）水平，克服感染期间关键代谢物耗竭的瓶颈，为噬菌体基因组包装和翻译提供优势。研究通过转录组学（RNAseq）和代谢组学（LC-MS）揭示了这一独特宿主劫持机制。

INTRODUCTION

噬菌体感染常伴随宿主代谢全局性改变，但区分这些变化源于噬菌体主动调控还是宿主应激反应仍具挑战。JBD44作为铜绿假单胞菌的λ样噬菌体，其早期基因簇编码的Eht1/Eht2展现出膜定位特征，暗示其可能通过膜相关信号系统（如双组分系统TCS）调控代谢。

RESULTS

基因表达动态图谱

RNAseq分析显示，JBD44感染5分钟内即触发宿主基因显著变化：

1. 氮代谢通路基因（如精氨酸发酵arcDABC和反硝化narK1K2GHJHI）下调16倍

2. 应激反应基因（热休克蛋白ibpA和铁载体pvdS）上调8倍

3. 生物膜形成和TCS通路基因富集（KEGG分析P<0.05）

膜蛋白的功能解密

AlphaFold预测显示：

• Eht1含双跨膜螺旋，胞质端暴露

• Eht2为单跨膜蛋白

  细菌双杂交实验证实二者存在相互作用。缺失突变体JBD44^Δeht1/2的噬斑形成单位（PFU）在感染60分钟后较野生型低10倍，但最终产量相当，说明Eht1/Eht2加速而非增加病毒产出。

代谢重编程的关键节点

LC-MS检测发现：

• 腐胺水平在JBD44感染后激增16倍

• 精氨酸/脯氨酸提升2倍

• N-乙酰谷氨酸（精氨酸前体）下降2倍

  添加5mM腐胺可完全恢复JBD44^Δeht1/2的感染效率，证实该代谢物是决定复制效率的关键因素。

跨膜信号的调控网络

通过cdrA-GFP报告系统发现：

• Eht1/Eht2单独表达使c-di-GMP信号增强10%

• 野生型JBD44感染使cdrA启动子活性持续升高1.4倍

  电镜显示Eht1/Eht2表达导致IV型菌毛（T4P）超组装（51%细胞含>10根菌毛），这与生物膜形成表型（Congo red染色增强）共同指向c-di-GMP介导的生理状态转变。

DISCUSSION

该研究首次揭示噬菌体通过膜定位蛋白精确调控宿主氮代谢的分子机制：

1. 代谢劫持：Eht1/Eht2定向引导精氨酸流向腐胺合成，规避其他分解途径（如精氨酸发酵）

2. 竞争优势：腐胺既促进JBD44复制，又抑制竞争噬菌体（如DMS3）

3. 治疗启示：膜蛋白靶向策略为设计精准抗菌剂（precision antimicrobials）提供新思路

MATERIALS AND METHODS

关键技术包括：

• CRISPR-Cas3构建基因缺失噬菌体

• 细菌腺苷酸环化酶双杂交（BACTH）验证蛋白互作

• 纳米级冷冻电镜（cryo-EM）观察菌毛动态

• 同位素标记代谢流分析（¹⁵N追踪）

该研究通过多组学联用，完整解析了噬菌体"代谢劫持"到"复制优势"的因果链条，为微生物生态学和噬菌体疗法研究树立了新范式。