噬菌體：一個世紀的歷史回顧

李升偉/編譯

噬菌體：一個世紀的歷史回顧

李升偉/編譯

圖1噬菌體形態感染細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）感染細菌的電鏡圖發表（圖1a）。早期的圖像幫助證實了這些歸因于噬菌體的效應事實上是由病毒導致的，而不是由酶活性造成的?，F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構和感染過程

●作為感染細菌細胞的小型病毒，噬菌體首次發現于1915年，百年以后的今天，這些噬菌體對基礎生物學、生物技術和人類健康的科研貢獻仍然行之有效、沒有減退，它們的百年華誕值得我們慶賀。

1915年，細菌學家弗雷德里克·圖爾特（Frederick Twort）發表了第一篇描述噬菌體類病毒的論文，它們可以感染細菌，在細菌體內繁殖自己并殺死細菌細胞。從那以后，對這些病毒的研究，給生物學帶來了巨大的變化，人們把這些病毒命名為噬菌體。噬菌體為20世紀的分子生物學革命提供了實驗體系和工具，它們的快速發展已經使生態學和進化的基礎原理得到了檢測?，F在，我們知道了噬菌體是世界上最成功的生物學實體，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，但是這些迷人的實體的研究仍然還是一種小而全的科學行為。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家們帶來鼓舞和激勵。

在20世紀早期，大多數噬菌體科學家都對使用病毒作為抗細菌生物感興趣。這是一個不受控制的科學試驗時代，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菌、比如導致霍亂的細菌。正是1928年亞歷山大·弗萊明發現抗生素，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注的事實，“噬菌體療法”的概念重新受到了人們的關注。

其后，噬菌體科學的發展進入了定量王國，一個研究網絡，由生物學家、生物化學家和物理學家組成并命名為“噬菌體群”，使用這些病毒作為模型，進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）進行了一項著名的實驗，用一臺高速離心機將放射標記的噬菌體從細菌細胞中去掉，幫助科學家們認識到DNA是遺傳物質，這項實驗后來獲得了諾貝爾獎。通過實驗發現了許多噬菌體編碼的DNA操作酶，比如DNA和RNA聚合酶、連接酶、核酸內切酶和核酸外切酶，接連不斷地催生了分子生物學新認識、發展了生物技術產業?，F在，世界各地每天都在使用著噬菌體蛋白質。限制性酶類保護著細菌免受噬菌體感染，為分子生物學家們提供了另一種不可缺少的工具。這種趨勢持續到了今天，正如人們所見，研究細菌如何防御噬菌體，使得科學家發現了CRISPR-Cas系統，隨之才有基因組編輯革命的到來。

隨著遺傳學密碼在20世紀中期得到了解析，對一個完整的基因組進行測序成為了首要的研究目標。噬菌體成為吸引人們眼球的目標，因為它們的基因組非常微小、還可以產生大量的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噬菌體的整個基因組的測序，其測序技術在后來幾十年中的細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，人們發現噬菌體可以在個體之間交換基因和大片斷的DNA，這種水平基因轉移的發現改變了我們對于遺傳變異性產生的認識。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（又稱宏基因組學）的產生，也就是對微生物群落中所有成員進行大規模測序（并進行比較分析研究）。

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

1971年，美國總統理查德·尼克松公開宣布“對癌癥作戰”，噬菌體生物學家們被招募，活躍地參與到這場人體生物學研究之中?；谡J識到噬菌體編碼了一些蛋白質，類似于宿主的蛋白質，這些科學家們在人類基因組中尋找與其他病毒內基因相似的基因。他們不僅發現了這些基因，還建立了“原癌基因”的概念，它們存在于人體基因組中，當其突變時，是癌癥的主要病因。

另外一些噬菌體研究人員進入了DNA誘變、修復和重組的領域，建立了今天我們對癌癥認識的基礎。例如，科學家們認識到預先存在的突變可以使得細胞個體具有在不同環境條件下的生長優勢，從而引發這樣的理念：癌癥細胞荷載有數十種預先存在的突變，它們可能與真實的腫瘤相關、也可能不相關。在艾滋病流行以后，噬菌體研究人員們打開了大門，認識到了逆轉錄病毒是如何整合入人類基因組的、什么樣的宿主蛋白質參與其中。

在經歷了20世紀70年代熱鬧的噬菌體研究之后，噬菌體科學家們轉向了不同的研究舞臺、對噬菌體的研究大幅度降溫。對于生物學家們的鐵錘來說，噬菌體無疑是一種強有力的鐵砧，為什么現在許多研究人員對它們沒有足夠的注意呢？一個原因可能是，正如在任何舊科學學科中頻繁發生的那樣，人們的認識如同文獻一樣，經歷了一種由博返約的過程，噬菌體也是如此。為了有助于應對這種情況，我們提出了一些認識噬菌體的指導原則：

一個關鍵點是噬菌體對生物學多樣性的貢獻。在地球上大概有超過1 031種噬菌體顆粒，每種細菌細胞則有大約10種噬菌體顆粒。在人體中，兩個個體之間主要的遺傳差異是他們胃內的噬菌體。在其他作用中引人注目的是，這些病毒形成了適應性強的免疫系統，其基礎是應用了免疫球蛋白樣蛋白質結構域高度可變的特性，類似于抗體的使用機理（以變應變）。

一個概念是噬菌體攜帶的基因所編碼的蛋白質參與了調節宿主的基礎生理學過程，比如新陳代謝和抗生素抗性。有個迷人的例子發生在海洋藍藻細菌的光合作用中，這些細菌產生的光收集觸角復合體的部件在噬菌體感染后是高度不穩定的、易于腐敗。但是噬菌體攜帶的基因可以編碼受損蛋白質的替代品，使得細菌得以持續產生生物質，而噬菌體如同爆炸般產生大量后代。因此，這些海洋噬菌體通過增加光合作用的效能和產量，對海洋碳的巨量轉換做出了偉大的貢獻。

一種教訓是任何細菌細胞的小而全的空間結構是由其噬菌體決定的。進化關系緊密相關的細菌之間的主要基因組學差異來源于整合進來的噬菌體（原噬菌體）及其基因組學事件，從插入或缺失到重大重排，有助于保衛細菌免受噬菌體感染。這種從不停止的由其噬菌體施加于細菌的選擇壓力是“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不斷地進化。

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，迎合了合成生物學家們的需要、對生物學功能進行工程化研究和實施。值此噬菌體被發現100周年之際，我們希望我們的生物學家伙伴們，放棄他們的細胞中心習慣，擁抱噬菌體吧！

[資料來源：Nature][責任編輯：彥隱]

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