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巨大的食细菌病毒弥合了生命与非生命之间的鸿沟

已有 2078 次阅读 2020-2-15 14:47 |个人分类:新观察|系统分类:海外观察| 嗜菌病毒, 基因组, 噬菌体

巨大的食细菌病毒弥合了生命与非生命之间的鸿沟

诸平

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Fig. 1 Depiction of huge phages (red, left) and normal phages infecting a bacterial cell. The huge phage injects its DNA into the host cell, where Cas proteins -- part of the CRISPR immune system typically found only in bacteria and archaea -- manipulate the host cell's response to other viruses. The UC Berkeley team has not yet photographed any huge phages, so all are depicted resembling the most common type of phage, T4. Credit: UC Berkeley image courtesy of Jill Banfield lab

据美国加州大学-伯克利分校University of California - Berkeley2020212日提供的消息,该校研究人员研究发现,巨大的食细菌病毒弥合了生命与非生命之间的鸿沟(1所示)。图1描绘了感染细菌细胞的巨大噬菌体(红色,左侧)和正常噬菌体。巨大的噬菌体将其DNA注入宿主细胞,其中Cas蛋白(通常仅在细菌和古细菌中发现的CRISPR免疫系统的一部分)操纵宿主细胞对其他病毒的反应。加州大学伯克利分校(UC Berkeley)的团队尚未拍摄任何巨大的噬菌体,因此所有照片均与最常见的噬菌体T4类似。

科学家发现了数百种异常大的,能杀死细菌的病毒,它们通常具有与生物体相关的功能,从而模糊了活微生物体(living microbes)与病毒机器(viral machines)之间的界线。

这些噬菌体(phages)bacteriophages(噬菌体)的缩写,所谓的噬菌体是因为它们吞噬细菌而得名。噬菌体具有一定的大小和复杂性,被认为是生命的典型特征,它们携带着细菌中通常发现的许多基因,并利用这些基因来对付它们的细菌宿主。

加州大学伯克利分校的研究人员及其合作者,通过搜寻庞大的DNA数据库来发现这些巨大的噬菌体。这些数据库的DNA是来自近30个不同的地球环境,从早产儿和孕妇的内脏到西藏温泉(Tibetan hot spring)、南非生物反应器(South African bioreactor)、医院病房、海洋、湖泊以及地下深处等。他们总共确定了351种不同的巨大噬菌体,它们的基因组比捕食单细胞细菌的病毒的平均基因组大四倍或更多倍。其中有迄今为止最大的噬菌体:其基因组长 73.5万个碱基对,比平均噬菌体大近15倍。这个最大的已知噬菌体基因组比许多细菌的基因组大得多。

加州大学伯克利分校地球与行星科学、环境科学、政策与管理教授吉莉安·班菲尔德(Jillian F. Banfield)说:我们正在探索地球的微生物群,有时会出现意想不到的事情。这些细菌病毒是生物学的一部分,也是复制实体(replicating entities)的一部分,对此我们鲜为人知。吉莉安·班菲尔德也是有关该发现论文的通讯作者,该论文于2020212日在《自然》(Nature)杂志上发表——Basem Al-Shayeb, Rohan Sachdeva, Lin-Xing Chen, Fred Ward, Patrick Munk, Audra Devoto, Cindy J. Castelle, Matthew R. Olm, Keith Bouma-Gregson, Yuki Amano, Christine He, Raphaël Méheust, Brandon Brooks, Alex Thomas, Adi Lavy, Paula Matheus-Carnevali, Christine Sun, Daniela S. A. Goltsman, Mikayla A. Borton, Allison Sharrar, Alexander L. Jaffe, Tara C. Nelson, Rose Kantor, Ray Keren, Katherine R. Lane, Ibrahim F. Farag, Shufei Lei, Kari Finstad, Ronald Amundson, Karthik Anantharaman, Jinglie Zhou, Alexander J. Probst, Mary E. Power, Susannah G. Tringe, Wen-Jun Li, Kelly Wrighton, Sue Harrison, Michael Morowitz, David A. Relman, Jennifer A. Doudna, Anne-Catherine Lehours, Lesley Warren, Jamie H. D. Cate, Joanne M. Santini, Jillian F. Banfield. Clades of huge phages from across Earth's ecosystems (Open Access). Nature, 2020. DOI: 10.1038/s41586-020-2007-4, Published: 12 February 2020. https://www.nature.com/articles/s41586-020-2007-4.pdf

吉莉安·班菲尔德说:一方面,这些巨大的噬菌体弥合了无生命的噬菌体与细菌和古细菌之间的鸿沟。似乎存在着成功的生存策略,我们认为这些策略就是传统病毒和传统活生物体之间的杂交体。

具有讽刺意味的是,在这些巨大的噬菌体所环绕的DNA中,是细菌用来对抗病毒的CRISPR系统的一部分。一旦这些噬菌体将其DNA注入细菌中,病毒CRISPR系统就会增强宿主细菌的CRISPR系统,可能主要针对其他病毒。CRISPRClustered regularly interspaced short palindromic repeats)被称为规律成簇间隔短回文重复,实际上就是一种基因编辑器,是细菌用以保护自身对抗病毒的一个系统,也是一种对付攻击者的基因武器。

加州大学伯克利分校的研究生巴塞姆·阿尔-沙耶布(Basem Al-Shayeb)说:这些噬菌体如何改变了我们认为是细菌或古细菌的系统,利用它们的竞争使其自身受益,促进这些病毒之间的殴斗,这实在令人着迷。” 巴塞姆·阿尔-沙耶布和他的同事罗翰·萨谢德瓦(Rohan Sachdeva)是《自然》杂志论文的共同第一作者。

新的Cas蛋白

巨大的噬菌体之一也能制造出一种类似于Cas9的蛋白质,这种蛋白质是加州大学伯克利分校的詹妮弗·杜德纳(Jennifer Doudna)和她的欧洲同事艾曼纽埃尔·沙彭特(Emmanuelle Charpentier)为基因编辑而改造的革命性工具CRISPR-Cas9的一部分。研究团队将这种小蛋白质称为CasΦ,因为希腊字母大写Φ或小写φ,传统上被用来表示噬菌体。

罗翰·萨谢德瓦说:在这些巨大的噬菌体中,寻找基因组工程新工具的潜力很大。” “我们发现的许多基因都是未知的,它们无推定功能( putative function),可能是工业、医学或农业应用中新蛋白质的来源。

除了为噬菌体和细菌之间的持续战争提供新的见解之外,新发现还对人类疾病产生影响。通常,病毒在细胞之间携带基因,包括赋予抗生素抗性的基因。而且由于噬菌体会在细菌和古生菌生活的任何地方(包括人类肠道微生物群)发生,因此它们可以将破坏性基因带入定居人类的细菌中。

吉莉安·班菲尔德说:某些疾病是由噬菌体间接引起的,因为噬菌体在涉及发病机制和抗生素耐药性的基因周围移动。而且,基因组越大,围绕这些基因的移动能力就越大,并且能够将不良基因传递给人类微生物群中细菌的可能性就越高。吉莉安·班菲尔德也是创新基因组学研究所(Innovative Genomics Institute, IGI)微生物研究的负责人。

对地球生物群落的测序(Sequencing Earth's biomes

吉莉安·班菲尔德探索细菌的多样性已经坚持了超过15年,10多年以来,她一直不懈努力。她说,古细菌(Archaea)是地球上不同环境中细菌和噬菌体的迷人表亲( fascinating cousins)。她的方法是对样本中的所有DNA进行测序,然后将片段拼接在一起,形成草图基因组,或者在某些情况下,将从未见过的微生物的基因组完全整理好,这些工作她都做到了。在此过程中,她发现许多新微生物的基因组极小,似乎不足以维持独立生命。相反,它们似乎依赖其他细菌和古细菌生存。一年前,她报告说,在我们的肠道和口中发现了一些最大的噬菌体(一个叫做Lak的噬菌体),它们在那里捕食肠道和唾液微生物。

新的《自然》(Nature)杂志上发表的论文,是对吉莉安·班菲尔德积累的所有宏基因组序列(metagenomic sequences)中的巨大噬菌体进行了更彻底的搜索,再加上全球研究合作伙伴提供的新的宏基因组。宏基因组来自狒狒(baboons)、猪、阿拉斯加麋鹿(Alaskan moose)、土壤样本、海洋、河流、湖泊以及地下水,其中包括一直饮用砷污染水的孟加拉国人(Bangladeshis)。

该团队确定了351个噬菌体基因组,它们的长度超过200千碱基(kilobaseskb),是平均噬菌体基因组长度(50 kb)的四倍。他们能够确定175个噬菌体基因组的确切长度,其他噬菌体的长度则可能大于200 kb。完整的基因组之一,长735 kb,现已成为已知的最大噬菌体基因组。

尽管这些巨大噬菌体中的大多数基因编码是未知蛋白质,但研究人员仍能够鉴定出编码对该机制至关重要的蛋白质——称为核蛋白体(ribosome)的基因,该核蛋白体将信使RNA转化为蛋白质。这类基因通常不在病毒(viruses)中出现,仅发现于细菌或古细菌中。

研究人员发现了许多用于转移RNA的基因,这些基因携带氨基酸到核糖体中并被整合到新蛋白质中。加载和调节tRNA的蛋白质的基因;开启翻译甚至是核糖体自身片段的蛋白质的基因。

罗翰·萨谢德瓦说:通常,将生命与非生命区分开来的是拥有核糖体和进行翻译的能力;这是区分病毒和细菌,非生命与生命的主要特征之一。” “一些大型噬菌体具有很多这种翻译机制,因此它们使这条界线有些模糊。

巨大的噬菌体可能使用这些基因来重定向核糖体,从而以细菌蛋白为代价,复制更多自身蛋白。一些巨大的噬菌体还具有其他的遗传密码,即编码特定氨基酸的核酸三联体,可能会混淆解码RNA的细菌核糖体。

此外,一些新发现的巨大噬菌体携带了在各种细菌CRISPR系统中发现的Cas蛋白变体的基因,例如Cas9Cas12CasXCasY家族。CasØCas12家族的一种变体。一些巨大的噬菌体也具有CRISPR阵列,这是细菌基因组中存储病毒DNA片段的区域,以备将来参考,从而使细菌能够识别返回的噬菌体,并动员其Cas蛋白靶向并将其粉碎。

吉莉安·班菲尔德说:高水平的结论是,具有大型基因组的噬菌体在地球的整个生态系统中都非常突出,它们并不是一个生态系统的独特之处。” “与具有大基因组的噬菌体相关,这意味着它们是具有悠久的大基因组历史的血统。拥有大基因组是一种成功的生存策略,而我们却对此知之甚少。更多信息请注意浏览原文或者相关报道。

Researchers discover new viral strategy to escape detection

Abstract

Bacteriophages typically have small genomes1 and depend on their bacterial hosts for replication2. Here we sequenced DNA from diverse ecosystems and found hundreds of phage genomes with lengths of more than 200 kilobases (kb), including a genome of 735 kb, which is—to our knowledge—the largest phage genome to be described to date. Thirty-five genomes were manually curated to completion (circular and no gaps). Expanded genetic repertoires include diverse and previously undescribed CRISPR–Cas systems, transfer RNAs (tRNAs), tRNA synthetases, tRNA-modification enzymes, translation-initiation and elongation factors, and ribosomal proteins. The CRISPR–Cas systems of phages have the capacity to silence host transcription factors and translational genes, potentially as part of a larger interaction network that intercepts translation to redirect biosynthesis to phage-encoded functions. In addition, some phages may repurpose bacterial CRISPR–Cas systems to eliminate competing phages. We phylogenetically define the major clades of huge phages from human and other animal microbiomes, as well as from oceans, lakes, sediments, soils and the built environment. We conclude that the large gene inventories of huge phages reflect a conserved biological strategy, and that the phages are distributed across a broad bacterial host range and across Earth’s ecosystems.



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