小噬家族的千姿百态和千丝万缕
导读
噬菌体无处不在，在人体肠道、土壤和海洋中都可以发现它们的身影。在面对极其多样的噬菌体时，病毒基因组学分析可以帮助我们发现新的噬菌体家族，并从基因组角度对其分类。看似复杂多样的噬菌体其实也存在一些内在的联系，一方面噬菌体的结构具有一定的相似性，另一方面噬菌体间可以进行水平基因转移。这篇综述总结了噬菌体在形态结构、基因组和不同生态系统（海洋、土壤、人体肠道）中的多样性，讨论了噬菌体由于基因镶嵌造成的复杂进化关系，并利用vConTACT工具构建噬菌体系统发育网络进行可视化表征。
根据噬菌体的内部核酸类型，可将其分为ssDNA，dsDNA，ssRNA和dsRNA；根据外部形态结构可分为：多面体状噬菌体、丝状噬菌体、球状噬菌体、有尾和无尾噬菌体等。根据核酸类型和形态可以对不同的噬菌体家族进行聚类（图1）。在目前分离到的噬菌体中，最常见的是有尾dsDNA噬菌体。此外，不同噬菌体家族结构多样，但进一步研究发现结构蛋白存在一定的相似性，如大多数有尾噬菌体结构中存在主衣壳蛋白（MCP）折叠，在古细菌噬菌体和腺病毒中也有发现；长尾噬菌体结构中尾尖或基板上有受体结合蛋白（RBPs），这些噬菌体尽管序列同源性低，但结构相似性高。
图1 噬菌体形态的示意图（SR）和透射电子显微照片（TEM）
从完整基因组数量来看，截至2019年9月（NCBI数据库），共发现8437个完整的噬菌体基因组，这些噬菌体分为12个家族，其中超过一半属于长尾噬菌体科，肌尾噬菌体科和短尾噬菌体科分别占噬菌体总数的17%和12%（图2a）。从基因组大小来看，最小的噬菌体基因组是 Leuconostoc phage L5，只有2435bp。但最近从人类和动物肠道宏基因组中发现了巨型噬菌体，基因组大小高达540kb（图2b）。此外，越来越多的巨型噬菌体（>200kb）被鉴定并显示出独特的基因组特征，即携带的小型噬菌体基因组中没有参与复制和核苷酸代谢的基因。从研究手段来看，宏基因组学可用来表征噬菌体的多样性，在一个实验中就可以鉴定出多达数千个病毒群体，单病毒基因组学对单个病毒进行测序，揭示具有高水平微多样性的噬菌体群体，培养技术与透射电镜观察相结合用于发现可能存在测序偏差的噬菌体。整合宏基因组学、单病毒基因组学、培养和显微镜技术等多种手段更全面充分地揭示病毒多样性（图3）。
图2 噬菌体家族的完整基因组数目和基因组大小分布
海洋环境中的噬菌体极其丰富，病毒与细菌的比率通常在1:1到100:1之间。宏基因组数据证实无尾噬菌体比有尾噬菌体更具代表性，但形态分布并不随深度或海洋区域而变化。海洋噬菌体功能丰富度从深到浅逐渐减少（图3a）。土壤中噬菌体的丰度变化很大，与生物群落类型、pH值和细菌丰度有关。病毒丰度在沙漠中最低，在农业土壤中居中，森林和湿地土壤中最高。对不同南极土壤的宏基因组分析表明，有尾噬菌体在所有样本中都占优势，低多样性和中等多样性的样本主要由长尾噬菌体的遗传特征决定，非生物因子如pH和海拔高度是病毒群落组成的主要驱动因素（图4b）。人类肠道中噬菌体群落主要由有尾噬菌体和微小噬菌体的成员组成。研究发现在生命早期，噬菌体群落组成会发生很大的变化，但随着时间的推移，肠道噬菌体群落逐渐稳定，人类肠道病毒组的组成呈现高度特异性和稳定性。
图4 三种生态系统中噬菌体的分布与丰度
依赖水平基因转移的基因嵌合是噬菌体进化的主要因素。运用一种基于网络的病毒分类分析工具vConTACT，通过从每个病毒基因组中提取预测的蛋白质来构建病毒蛋白簇，并计算病毒对之间的基因组相似性，将噬菌体关系和基因交换表示为一个大的网络，使用CytoscapeV3.7.1对网络进行可视化。结果发现温和噬菌体位于其中心，连接位于外围的烈性噬菌体，并且噬菌体之间的进化关系因宿主而异。分枝杆菌噬菌体（蓝色）在图的右上侧占据优势，没有连接超级集群的边缘；链球菌噬菌体（橙色）具有较高的遗传通量，因此噬菌体位于超级集群上部的密集连接区。蓝藻体（绿色）更多分布在超级集群的外围（图5）。通过这种方法病毒可以在属级上准确地聚集在一起，取样病毒越多，越有利于网络构建。
图5 噬菌体系统发育的网络表征
总结
噬菌体形态丰富，基因组各异，但结构蛋白表现出一定的相似性。这一现象看似矛盾却暗示了噬菌体之间存在着相互联系，亦或许是结构进化上的保守性。整合运用宏基因组学、单病毒基因组学以及培养和显微镜技术扩展对噬菌体在全球范围多样性的认识，发现具有全新序列的噬菌体并添加到系统发育网络中，可帮助识别更多病毒序列以及解析更多病毒结构，进而提供噬菌体间相互关系以及噬菌体谱系中共同祖先或中间祖先的相关信息。此外，从噬菌体系统发育网络中寻找潜在联系将为噬菌体疗法提供一些思路。
论文信息
原名：Phage diversity, genomics and phylogeny
译名：噬菌体多样性、基因组学和系统发育
期刊：Nature Review Microbiology
IF2020：34.2
发表时间：2020.03
通讯作者：Sylvain Moineau
通讯作者单位：拉瓦尔大学