上海
在微生物世界中，溫和噬菌體與宿主細菌之間形成了一種微妙的共生關系。以銅綠假單胞菌為例，其攜帶的溶原Pf絲狀噬菌體的激活是生物膜中最顯著的特征之一。這一溫和噬菌體的激活賦予了宿主菌抵抗真核宿主的免疫吞噬和清除。Pf的大量激活也會形成特殊的束狀的液晶結構，增強生物膜的抗生素抵抗能力，是宿主菌發揮毒力和引發反復性感染的核心過程。但這些原噬菌體如何在生物被膜中被激活的機制有待闡明，對這一過程的認知對于解決臨床的生物膜感染有重要的指導意義。
毒素-抗毒素（Toxin-Antitoxin System,TA）系統是細菌中普遍存在的遺傳模塊，傳統觀點認為這類系統的調控主要依賴于不穩定的抗毒素被蛋白酶選擇性降解，從而釋放穩定的毒素。中國科學院南海海洋研究所王曉雪團隊近年來在Pf噬菌體調控領域取得了一系列進展，先后報道了Pf6原噬菌體編碼的三組分TA系統KKP（PfkA-PfkB-PfpC）通過磷酸化控制溶原—裂解轉換（Nat Commun, 2024），以及Pf4與Pf6噬菌體通過RepG4-PfpC軸實現分子對話（Nat Commun, 2025）。然而，Pf4原噬菌體自身編碼的TA系統PfiAT的調控機制及其在噬菌體產生中的具體功能，仍有待闡明。
2026年4月3日，該團隊在Science Advances上發表題為Phosphorylation of PfiA Modulates Pf4 Phage Production through PfiA/PfiT Stoichiometric Reconfiguration in Pseudomonas aeruginosa 的研究論文，揭示了Pf4噬菌體編碼的PfiAT系統采用了不同于經典模型的調控策略。
游離毒素池：維持溶原狀態的關鍵
在pfiAT TA操縱子中，pfiA與pfiT基因共轉錄且擁有相同的核糖體結合位點，在mRNA和蛋白水平上，毒素蛋白和抗毒素蛋白保持1：1的水平，且抗毒素蛋白穩定性與毒素相當。然而，研究團隊解析PfiAT復合物2.3 ?分辨率的晶體結構后發現，抗毒素PfiA與毒素PfiT以6:4的化學計量比組裝成十聚體復合物，這是目前已知同家族中最大的二元復合物。這意味著在蛋白表達水平相當的情況下，這種組裝模式會導致一部分PfiT毒素無法被PfiA抗毒素結合，從而在胞質中形成游離毒素池。功能實驗表明，這些游離毒素通過一種類似質?！胺蛛x后致死效應”(Post-segregational killing, PSK) 的機制抑制Pf4原噬菌體的切除，使噬菌體維持在溶原狀態。當敲除pfiT或截短其C端延伸時，突變菌株在生物膜發育早期即可產生大量噬菌體，證實了游離毒素池對溶原維持的關鍵作用。
磷酸化修飾驅動TA化學計量轉換
研究團隊發現，共定位于同一宿主基因組的Pf6原噬菌體編碼的激酶PfkA/PfkB可磷酸化PfiA抗毒素的T5位點。磷酸化模擬突變（T5D）導致PfiAT復合物從107.7 kDa的十聚體（T:A= 4:6）轉變為41.5 kDa的四聚體 (T:A = 2:2)，同時喪失DNA結合能力和轉錄抑制活性。更重要的是，這一重排過程需要招募胞質中的游離PfiT，從而有效消耗了毒素池，解除了對原噬菌體切除的抑制，最終誘導Pf4噬菌體產生。相比之下，磷酸化模擬突變S7D和S67D則不影響復合物的化學計量比，表明T5位點的磷酸化具有特異性功能。
結構分析揭示復合物組裝與調控機制
進一步解析了磷酸化修飾抗毒素對PfiAT復合物的組裝模式的影響。結構分析顯示，PfiT毒素的C端擁有一個由15個氨基酸組成的額外α螺旋，該螺旋像“塞子”一樣插入由五個α螺旋形成的桶狀空腔中，對維持TA復合物十聚體結構具有重要作用。當截短該C端延伸時，復合物急劇縮小為26.2 kDa的PfiA?PfiT?異源三聚體，且完全喪失DNA結合能力。
T5位于兩個相鄰PfiA二聚體的相互作用界面上，參與形成由V3、T5和P30構成的疏水堆疊網絡。磷酸化引入的負電荷破壞了這一相互作用，導致復合物解聚重排。此外，研究團隊在PfiA的N端發現了一個之前未被表征的DNA結合結構域，命名為PAD（PfiA-like Antitoxin DNA-binding）結構域。在PfiA?PfiT?復合物中，三個PfiA二聚體協同識別啟動子區的三個不同DNA區域，這種多價結合模式有助于提高轉錄抑制的特異性。值得注意的是，PfiA抗毒素須與PfiT形成復合物才能結合自身啟動子，這與大多數II型TA系統中抗毒素可單獨結合DNA的經典特征有所不同。
從“降解”到“重構”：TA系統調控的新視角
該研究揭示了一種TA系統的新型調控機制，即通過翻譯后修飾改變毒素與抗毒素的化學計量比，從而調控游離毒素的水平，進而影響下游生物學過程。這一發現為溫和噬菌體的溶原-裂解轉換提供了新的調控視角。結合該團隊此前報道的KKP TA系統與RepG4-PfpC調控軸，兩者共同構成了兩個“姐妹原噬菌體“之間較為完整的分子對話網絡，揭示了共存于同一宿主基因組中的兩個原噬菌體如何在生物膜發育過程中實現有序激活與協同釋放，從而協同促進宿主菌在真核宿主中的生存能力。針對KKP的活性設計激酶抑制劑，是控制生物膜發育的有效干預策略。
中國科學院南海海洋研究所王曉雪研究員為論文通訊作者，陳冉助理研究員為論文第一作者。
圖1. PfiAT操縱子的調控機制圖
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aeb5480
制版人： 十一
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