Nature从原子水平解析噬菌体感染细菌分子机理

　　细菌噬菌体是感染细菌的一种病毒，近日，来自瑞士洛桑联邦理工学院(EPFL)的研究人员利用先进的研究工具描述了一百万个原子“尾部”结构，细菌噬菌体可以利用尾部结构来突破细胞的表面进入到细胞内部，该研究对于理解细菌噬菌体感染细菌的机制，以及后期应用于新型细菌性疾病疗法的开发提供了新的线索和希望，相关研究刊登于国际杂志Nature上。

　　为了感染细菌，很多细菌噬菌体都会“雇佣”尾部结构来刺穿细菌的细胞膜，从而使病毒的遗传物质进入到细菌细胞内部，噬菌体复杂的尾部结构包含有可以围绕在类似管状结构周围的收缩性鞘状结构，这些鞘状结构可以在纳米尺度拉伸形成“线圈”结构，当噬菌体吸附到细胞表面时，鞘状结构就会收缩并且驱动管状结构穿过细胞膜，而所有的过程都是由噬菌体尾部百万个原子基底结构所完成的。

　　如今，研究者通过进行原子细节的分析揭示了这些基底结构如何协调病毒吸附于细菌表面;噬菌体广泛存在于我们身边，比如土壤、温泉、动物肠道等，其对细菌群体的多样性有着明显的影响，比如人类肠道的微生物组;当然噬菌体也是一种科学家们进行遗传学和分子生物学研究的重要工具。

　　这项研究中，研究人员从原子水平上阐述了噬菌体基底结构发生变形的特殊模型，噬菌体的基底结构可以帮助控制噬菌体发现并且吸附靶向细菌的能力，同时对于噬菌体将其自身DNA注射到靶向细菌内部也非常关键。

　　研究者指出，整个基底尾部管状复合体包含1百万个原子，其组成了15个不同蛋白质的145条链，其中大多数都可以作为研究模型。

　　同时研究人员又从基底结构中鉴别出了分子成分的最小集合，这些成分就好象微型齿轮一样可以控制病毒尾部的活性。

　　最后研究者Leiman说道，本文研究对于深入理解噬菌体收缩性尾部系统的作用机制提供了新的线索，人类机体中包含有数万亿个细菌，而且人类的肠道微生物群落也是未来进行个体化疗法研究的靶点。

　　因此基于本文的研究结果，很显然研究人员就需要理解不同细菌间的相互作用，以及噬菌体感染细菌的机理，从而为后期开发基于噬菌体技术的新型靶向疗法来治疗人类疾病提供一定帮助。

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　　研究人员认为基因修饰细菌能够有助解释发育中的动物如何让它的所有部分和器官保持与它所在物种的每个其他成员相同的一般比例。

　　1952年，英国数学家阿兰-图灵(Alan Turing)在数学上证实在大自然中观察到的几乎无数类型的图案---比如，猎豹身上的斑点，或者美洲豹与众不同的毛发---能够通过化学物扩散和简单规则之间的相互作用来加以解释。然而，很多科学家仍然持怀疑态度，而且认为实际情况必定复杂得多。

　　如今，在一项新的研究中，来自美国杜克大学的研究人员发现图案能够形成的另一种方式---通过使用定时的时钟。通过将两种化学信号与一些可变的因素结合在一起，时间信号(timing cue)就出现了。这些时间信号不仅能够控制图案产生，而且也能够确保这些图案在相同物种的不同细菌菌落之间保持大致相同的比例。相关研究结果发表在2016年4月21日那期Cell期刊上，论文标题为“Collective Space-Sensing Coordinates Pattern Scaling in Engineered Bacteria”。

　　在这项研究中，论文通信作者、杜克大学工程学副教授Lingchong You将一种新的基因回路(genetic circuit, 也常译作基因电路，遗传回路，遗传电路)导入一种大肠杆菌菌落中。You对大肠杆菌进行基因改造，让它们能够制造一种被称作T7RNAP(标记上蓝色荧光)的蛋白，在正反馈循环中，该蛋白激活它自己表达。

　　当这种大肠杆菌菌落生长和产生更多的T7RNAP时，它也产生一种化学物，该化学物触发T7溶菌酶(T7 lysozyme，标记上红色荧光)产生，而这会抑制T7RNAP产生。在这两种蛋白分子相互作用的地方，紫色的图案就出现在菌落中。

　　因为菌落外边的大肠杆菌要比菌落内部的那些细菌更加活跃，所以这会导致一种类似于圆心的紫环图案出现。You和他的同事们发现他们能够通过改变生长环境的大小和所供应的营养物的数量来控制这种图案的厚度和它需要多长时间形成这种圆心图案。

　　对这种图案的形成而言，这些可变的因素作为一种时间信号发挥作用。更大的生长环境或者更多的营养物导致这种紫环延迟产生。You猜测类似的定时回路能够在包括动物在内的其他有机体中运转。

　　You说，“在我们的实验中，我们还从中发现一种空间信号(spatial cue)。我们有点是从这种基因回路的定时中免费发现的。这两种可扩散的蛋白分子并不告诉大肠杆菌细胞在何处停止或开始产生蛋白。相反地，它们只是告诉这些细胞何时开始或停止产生蛋白。这对于产生一种图案和控制它的规模足够了，而且它本质上是一种新的机制。”

　　每当流感季节来临之际，卫生防疫组织都会开始督促大众提前接受流感疫苗注射。可能大部分人都不会意识到在一天的不同时间段接种流感疫苗会产生不一样的效果。

　　根据英国伯明翰大学一项最新研究表明，在上午时分接种流感疫苗比在下午会更有效，人的机体组织会在上午诱导产生更强大、更具保护性的抗体应答反应。试验结果发表在了近期的《Vaccine》杂志上。

　　基于24个流感疫苗接种机构，研究人员总结了从2011至2013年间一年一度的英国流感疫苗接种活动中的数据。

　　研究数据里，共有276名65岁以上成人接受了三种不同病毒株的流感疫苗，要么介于上午9-11点，或是下午3-5点。在这三种病毒株里的两种，接种疫苗一个月后上午接种的人比下午接种的体内抗体浓度显著较大。

　　英国伯明翰大学体育运动和康复治疗科学学院的Anna Phillips博士，本研究的负责人解释说，“我们已经知道在一天范围内免疫应答是起伏波动的，于是想研究这是否会延伸到疫苗接种后的抗体反应。现在我们初步观察到上午接种流感疫苗更加有效，这不仅有利于更新完善流感疫苗的接种策略，也可能普遍地会为改善疫苗接种策略提供线索。”

　　流感疫苗是在全英国和世界上许多其他国家季节性疫苗接种计划的一部分，特别注重65岁以上的老年体弱人群。尽管这样，流感病毒还是造成了每年全球范围25万-50万人死亡。

　　年龄相关的免疫力下降让老年人在接种后无法产生足够的抗体反应，损害了本来应该获得的免疫保护能力。以往一些希望提高预防接种反应的措施效果非常有限，包括日常锻炼和疫苗添加辅助剂。

　　英国伯明翰大学炎症和衰老研究所的Janet Lord教授，本研究的合作者之一说道：“每年有大量资源被利用去尝试预防流感感染，尤其是针对老年人。

　　但是不到一半的人群能够产生足够的抗体并得到充分的机体免疫保护。我们的研究结果表明，通过将接种疫苗的时间提早到上午可以显著提高的抗体的产生效率，而且无需消费额外的医疗服务。”

　　在接下来的研究里，研究人员将扩大65岁以上的流感疫苗接种人数，同时也还计划研究糖尿病、肝肾疾病患者的免疫反应。