巨型噬菌体-敲开横亘在生命与非生命间的大门 / 四六文摘

作者：李婷婷，南京农业大学硕士在读，主要研究根际噬菌体疗法。

周刊主要展示LorMe团队成员优秀周报，每周定期为您奉上学术盛宴！本期周刊为您介绍生态系统中的巨型噬菌体。原文于2020年发表于Nature。

摘要

噬菌体的基因组通常是比较小的，其中绝大多数基因组的长度只有几十kbp的长度。然而，作者通过在对来自多种生境中的噬菌体进行DNA测序之后发现并非总是如此。有数百种噬菌体基因组的长度超过了200kb，包括一个735kb（这也是迄今为止发现的基因组长度最长的噬菌体）。通过对35个噬菌体基因组的整理，鉴定了包括：CRISPR–Cas系统，转运RNA（tRNA），tRNA合成酶，tRNA修饰酶以及翻译起始子、延伸因子和核糖体蛋白在内的多种新的遗传基因。研究还发现，CRISPR系统虽然是细菌对抗噬菌体的免疫系统，但噬菌体可以通过沉默宿主的转录因子和拦截宿主原有的翻译等手段阻止宿主产生抗性，同时还可以将宿主的原本生物合成路径定向转变为噬菌体自身的编码功能。此外，还发现某些噬菌体可以利用宿主的CRISPR-Cas系统消除竞争对手（其他的噬菌体）。作者还利用来自海洋、湖泊、沉积物、土壤微生物和建筑物等环境中的基因组数据构建了巨型噬菌体的进化树。巨型噬菌体基因库的分析既反映了保守的生物策略，也说明了噬菌体广泛存在于细菌宿主范围乃至整个地球生态系统中。

一、噬菌体生物多样性的拓展

过去关于噬菌体基因组的研究大多是基于实验室研究的成果，然而当我们用噬菌体的基因组长度去描述噬菌体生物多样性时，生态系统中的噬菌体基因库则必不可少。图1中展示了研究中分离的噬菌体基因组与tRNA的分布，黄色部分是Lak巨型噬菌体的研究成果，蓝色部分是文献报道，红色部分是本次研究的成果。我们能够清楚地看出本研究拓展了噬菌体的生物多样性，同时也发现一些噬菌体的基因组长度能够和小型细菌的基因组长度相当。

图1 噬菌体基因组的大小及tRNA的分布

二、构建噬菌体系统发育树

作者利用351个噬菌体序列、6个类质粒序列和4个未识别序列以及相关宿主和生态环境的信息，构建了如图2的噬菌体的发育树。在每个进化枝分析中，这些巨型噬菌体的多样性与环境类型（如图2外圈环境类型比对）及其跨生态系统的宿主之间有着明显的联系。它们的基因组长度在进化树中的增减是既定且保守的。同时，为了确定细菌宿主系统发生与噬菌体进化的相关程度，作者利用CRISPR来鉴定一些噬菌体宿主以及正常宿主中相关噬菌体基因的系统发育比对（图2中黑色位点），同时还测试了噬菌体基因序列与细菌分类学之间的隶属关系和预测价值（方法）。结果发现在每种情况下，CRISPR间隔区靶向和系统发育与门类分类学特征一致。

图2 噬菌体、衣壳蛋白发育树及生态环境比对

三、代谢、转录与翻译

噬菌体中有部分基因与宿主的生物合成，代谢有着奇妙的联系。这些基因组的功能很有趣，不像是传统中我们对于病毒的认识，而类似于具有非常小的细胞和相关共生细菌的生活方式。巨型噬菌体的每个基因组中具有多达15个tRNA合成酶，它们和其宿主的酶不同但与之相关。还有许多噬菌体携带拦截宿主翻译并使之重定向的基因，这些基因包括起始子IF1和IF3，以及核糖体蛋白S4、S1、S21和L7 / L12（图3）。其中，rpS1和rpS21不仅参与在细菌中的翻译起始，也很可能有劫持宿主核糖体作用。此外，还发现rpS21的N端延伸区富含碱性，还有与RNA结合芳香残基。这表明这些噬菌体核糖体蛋白可能替代了原有的宿主蛋白，竞争与宿主核糖体结合的机会或使噬菌体mRNA的优先启动。

图3 噬菌体转录及宿主翻译重定向模型

四、噬菌体与宿主有关CRISPR的互作

CRISPR系统是细菌对抗噬菌体的免疫系统，但噬菌体中也有反CRISPR系统，这二者之间有着有趣的互作。作者为探明这一问题分析确定了噬菌体中最主要的CRISPR–Cas系统类型，包括基于Cas9的II型、最近报道的V-I型、新V-U型和V-F型的新子类型system。其中II类系统（II和V型），在以前尚无相关的报道。与之前的一些研究成果相反，本次研究中几乎所有噬菌体CRISPR系统都缺乏间隔区的捕获机制（Cas1、Cas2和Cas4），其中许多噬菌体还缺乏可识别的干扰基因。这些噬菌体也有一个包含新的候选V型效应蛋白的第二个系统，CasΦ（Cas12j），长度为750个氨基酸（图4），它位于CRISPR序列的近端。在某些情况下，这些缺乏干扰和间隔基因整合的噬菌体具有与其宿主相似的CRISPR重复序列（图4c），因此它们可以使用宿主的Cas蛋白。噬菌体编码的CRISPR序列通常很紧凑，该范围明显较小且比原核基因组中通常发现的要多（平均41次重复I类系统）。一些噬菌体间隔区靶向其他噬菌体的核心结构和调控基因（图4c），以达到增强宿主的免疫力来防止竞争性噬菌体侵染的目的。

一些噬菌体的基因座具有靶向细菌染色体间隔区的Cas蛋白裂解宿主的染色体的功能，而其他则不能。靶向宿主基因可能会破坏或改变宿主的调控，这可能对噬菌体感染周期有利。一些噬菌体CRISPR间隔区靶向细菌基因间区域，可能会通过阻断启动子或沉默非编码RNA来干扰进行的基因组调控。

图4 噬菌体和细菌CRISPR相互作用机制

a，图中箭头指示针对该噬菌体的CRISPR–Cas靶向和噬菌体基因组；b，噬菌体编码的Cas12i和CasΦ，以红色勾勒出轮廓，带有细菌编码的蛋白质以蓝色勾勒出轮廓；c，顶部，从A9重复一致的共识噬菌体阵列和预测的宿主细菌阵列。底部，互动网络显示针对细菌编码（蓝色）和噬菌体编码（红色）的目标CRISPR间隔区。

总结

文章中作者着重分析了巨型噬菌体的基因组，并通过其发育树和生态系统的比对证明了巨型噬菌体在地球生态系统中是广泛存在的。而组装、检测并验证宿主和噬菌体相关的基因相关功能的研究技术也可以转移与医药和农业有关的基因。同时，巨型噬菌体可能扩大了在基因组编辑应用中的新型核酸操作工具的储备。总体而言，它们的基因似乎通过拦截宿主最早的翻译步骤，并确保随后高效的蛋白质生产来使宿主的蛋白质重定向。这些推论与一些发现的真核病毒相吻合。一些噬菌体获得的CRISPR–Cas系统具有可突变的部分，这可能具有控制宿主基因和消除竞争性噬菌体的功能。更广泛地说，巨型噬菌体代表目前鲜为人知的生物学领域，它的生存方式与传统意义上的病毒不同。从前我们认为病毒是无生命的，但巨型噬菌体却具有生命才具有的核糖体和翻译功能，这一发现让生命与非生命之间的区别变得模糊。在既定的巨型噬菌体的系统发育研究里，我们不禁发问：它们是否古老且可自由的控制细胞，它们的共生体是和其他噬菌体同时来自前生（原始菌）状态的噬菌体，而非最近通过基因组扩展出现的事件吗？

论文信息

原名：Clades of huge phages from across Earth’s ecosystems

译名：在整个地球生态系统中的巨型噬菌体进化枝

期刊：Nature (2020)

IF：41.595

发表时间：2020.02

通讯作者：Jillian F. Banfield

通讯作者地址：加州伯克利分校创新基因组学研究所

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