一些病毒和微生物在等待“觀察”你

病毒隱藏在身體中 9 17
 噬菌體可以感知細菌 DNA 損傷,從而觸發它們複製和跳槽。 通過 Getty Images Plus 設計 Cells/iStock

在經歷了兩年多的 COVID-19 大流行之後,您可能會將病毒想像成一個令人討厭的尖刺球——一個無意識的殺手,它進入一個細胞並劫持其機器,在爆發前創造出無數的自身副本。 對於許多病毒,包括 導致 COVID-19 的冠狀病毒,“無腦殺手”的綽號基本上是正確的。

但病毒生物學遠不止表面上所見。

以艾滋病毒為例,這種病毒會導致 艾滋病. 艾滋病毒是一種 逆轉錄病毒 當它進入細胞時,它不會直接進行殺戮。 相反,它會將自己整合到你的染色體和寒戰中,等待合適的時機命令細胞複製它並爆發以感染其他免疫細胞並最終導致艾滋病。

艾滋病毒正在等待的確切時間仍然是 積極研究領域. 但對其他病毒的研究早就暗示,這些病原體在殺戮方面可能相當“周到”。 當然,病毒不會像你我那樣思考。 但是,事實證明,進化賦予了他們一些相當複雜的決策機制。 例如,如果某些病毒檢測到 DNA 損傷,它們會選擇離開它們一直居住的細胞。 看來,甚至病毒也不喜歡呆在沉船裡。

My 實驗室 一直在研究分子生物學 噬菌體,或簡稱噬菌體,感染細菌的病毒,已有二十多年的歷史了。 最近,我和我的同事 已經顯示 噬菌體可以聆聽關鍵的細胞信號,以幫助它們做出決策。 更糟糕的是,他們可以使用細胞自己的“耳朵”來為他們傾聽。

逃避 DNA 損傷

如果你敵人的敵人是你的朋友,那麼噬菌體肯定是你的朋友。 噬菌體 控制細菌種群 在自然界中,臨床醫生越來越多地使用它們 治療細菌感染 對抗生素沒有反應的。

研究得最好的噬菌體, 拉姆達,有點像艾滋病毒。 進入細菌細胞後,lambda 決定是像大多數病毒一樣直接複製和殺死細胞,還是像 HIV 那樣將自身整合到細胞的染色體中。 如果是後者,則每次細菌分裂時,λ 都會與宿主無害地複制。

該視頻顯示了感染大腸桿菌的 lambda 噬菌體。

 

但是,就像 HIV 一樣,lambda 也不是無所事事。 它使用一種稱為 CI 的特殊蛋白質,就像聽診器一樣來聆聽細菌細胞內 DNA 損傷的跡象。 如果細菌的 DNA 受損,這對於嵌套在其中的 λ 噬菌體來說是個壞消息。 受損的 DNA 直接導致進化的垃圾填埋場,因為它對需要它繁殖的噬菌體毫無用處。 所以 lambda 打開它的複制基因,複製自身並從細胞中突圍出來,尋找更多未受損的細胞進行感染。

挖掘細胞的通信系統

一些噬菌體不是用自己的蛋白質收集信息,而是利用受感染細胞自己的 DNA 損傷傳感器:LexA。

CI 和 LexA 等蛋白質是 轉錄因子 通過與 DNA 說明書(即染色體)中的特定遺傳模式結合來打開和關閉基因。 一些像 Coliphage 186 這樣的噬菌體已經發現,如果它們的染色體中有一個短的 DNA 序列可以與細菌 LexA 結合,它們就不需要自己的病毒 CI 蛋白。 在檢測到 DNA 損傷後,LexA 將激活噬菌體的複制和殺傷基因,本質上是雙重交叉細胞自殺,同時允許噬菌體逃逸。


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科學家們首次報導了 CI 在噬菌體決策中的作用 在1980中 和 Coliphage 186 的反間諜伎倆 在 1990 年代後期. 從那時起,還有其他一些關於噬菌體利用細菌通訊系統的報導。 一個例子是 噬菌體phi29,它利用宿主的轉錄因子來檢測細菌何時準備好產生孢子或一種細菌卵 能夠在極端環境中生存. Phi29 指示細胞將其 DNA 包裝到孢子中,一旦孢子發芽,就會殺死萌芽的細菌。

轉錄因子打開和關閉基因。

 

最近發表的研究,我和我的同事表明,幾組噬菌體已經獨立進化出利用另一種細菌通訊系統的能力:CtrA 蛋白。 CtrA 整合了多種內部和外部信號,以啟動細菌的不同發育過程。 其中的關鍵是產生細菌附屬物,稱為 鞭毛和菌毛. 事實證明,這些噬菌體會附著在細菌的菌毛和鞭毛上以感染它們。

我們的主要假設是,噬菌體使用 CtrA 來猜測運動菌毛和鞭毛附近何時有足夠的細菌可以輕易感染。 對於“無腦殺手”來說,這是一個非常聰明的把戲。

這些不是唯一做出精心決定的噬菌體——所有這些都沒有大腦的好處。 一些感染的噬菌體 芽孢桿菌 細菌每次感染細胞時都會產生一個小分子。 噬菌體可以感知這種分子並將其用於 計算噬菌體感染的數量 在他們周圍發生。 就像外星入侵者一樣,這個計數有助於決定他們何時應該打開復制和殺死基因,只有在宿主相對豐富時才會殺死。 通過這種方式,噬菌體確保它們永遠不會耗盡宿主來感染並保證它們自己的長期生存。

對抗病毒式反情報

您可能想知道為什麼要關心由細菌病毒運行的反情報行動。 雖然細菌與人有很大不同,但感染它們的病毒是 沒有那麼不同 來自感染人類的病毒。 差不多 每一個技巧 噬菌體發揮的作用後來被證明被人類病毒利用。 如果噬菌體可以利用細菌通訊線路,為什麼人類病毒不能利用你的?

到目前為止,研究人員不知道如果人類病毒劫持了這些線路,他們可能會聽到什麼,但有很多選擇浮現在腦海中。 我相信,像噬菌體一樣,人類病毒可能能夠計算它們的數量以製定戰略、檢測細胞生長和組織形成,甚至監測免疫反應。 目前,這些可能性只是猜測,但科學研究正在進行中。

讓病毒監聽你細胞的私人對話並不是最樂觀的事情,但也不是沒有一線希望。 正如世界各地的情報機構所熟知的那樣,反情報只有在隱蔽的情況下才能發揮作用。 一旦被檢測到,該系統很容易被利用來向你的敵人提供錯誤信息。 同樣,我相信未來的抗病毒療法可能能夠將傳統的大砲(例如阻止病毒複製的抗病毒藥物)與信息戰詭計結合起來,例如讓病毒相信它所在的細胞屬於不同的組織。

但是,噓,不要告訴任何人。 病毒可能在聽!談話

關於作者

伊万·埃里爾, 生物科學副教授, 馬里蘭大學巴爾的摩分校

本文重新發表 談話 根據知識共享許可。 閱讀 原創文章.


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