【LorMe周刊】拟杆菌噬菌体的分离及其宿主范围预测

作者：王硕，南京农业大学硕士在读，主要研究利用噬菌体防治土传病害。
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！本期周刊介绍了噬菌体的分离、鉴定及其宿主范围的预测。原文于2020年7月发表在《Cell Host Microbe》。

导读

噬菌体是一类可以侵染细菌的病毒，它们普遍存在于自然环境中。目前噬菌体的研究方法较多，但是要进行深入的研究需要把噬菌体从环境中分离出来。在噬菌体研究中，噬菌体的形态、基因组序列和宿主范围是重点内容。在这篇文章中，作者以拟杆菌为宿主细菌，从不同地点分离了多株拟杆菌噬菌体，对其进行基因组测序和聚类分析，并进一步基于分析结果预测这些噬菌体的宿主范围。

主要结果

01

27种拟杆菌噬菌体的分离和比较分析

作者从四个不同地点（图1A）分离了27个噬菌体并且对噬菌体基因组进行测序和组装。利用vConTACT2将噬菌体分为三个不同的基因组聚类（α、β和γ）。然后对噬菌体基因组进行注释，并根据共享基因phamily（pham）进行比较。Phams是一组相关的蛋白质编码基因。根据每个噬菌体中是否存在pham来构建发育树，这样可以直接观测并验证基因组聚类的分配结果（图1B）。聚类α、β和γ的平均基因组大小分别为38kb、99kb和177kb，它们表现出广泛的基因组镶嵌性。图1C-1E显示了这些聚类中每个类别代表的基因组图。在聚类β和γ的噬菌体中分别检测到了tRNA，而在聚类α的噬菌体中却没有检测到。尽管聚类内的序列存在高度的一致性，但是聚类β和γ的代表之间只有两个共享的phams。这些多型拟杆菌噬菌体中大部分（约80%）的phams没有可检测的保守区域。除了分析噬菌体基因组，作者还通过透射电子显微镜观察噬菌体形态，发现聚类α噬菌体是长尾噬菌体，聚类β噬菌体是短尾噬菌体，聚类γ噬菌体是肌尾噬菌体，这些噬菌体的衣壳大小随基因组大小而变化（图1F-1H）。

图1 27种拟杆菌噬菌体的分离和表征

02

拟杆菌噬菌体与现有噬菌体的比较分析

作者将这27种拟杆菌噬菌体与其他4个已测序的拟杆菌噬菌体进行了比较（图2）。在聚类β噬菌体（DAC15和DAC17）与CrAss001（图2）之间存在广泛的共享phams（n = 53）和基因组成，并且推测至少一部分crAss样噬菌体会捕食拟杆菌。在其他拟杆菌噬菌体和先前分离的拟杆菌噬菌体之间共享的phams很少。此外，B40-8和B124-14是单独的聚类（聚类δ），Hanky噬菌体没有相近的噬菌体（图2）。

图2  31个拟杆菌噬菌体的系统发育网络

03

拟杆菌噬菌体的鉴定

为了识别这些噬菌体的亲缘关系，他们使用SearchSRA的蛋白质搜索将序列读取档案（SRA）中的亚采样阅读物映射到聚类α、β和γ（SJC01，DAC15，和DAC20）的代表中。他们在SRA中鉴定了812个候选宏基因组，SRA中至少有一个代表性噬菌体基因组的阅读深度> 15%（考虑到样品的真实测序深度），并且检测的基因组比例大于20%（图3A–3C）。他们发现，HSC01（一种预计会感染拟杆菌的噬菌体基因组）与SJC01相关（图3D和3E）。这些类似SJC01的PhiSh基因组均被vConTACT2划分为聚类α。在鉴定出的六个DAC15样基因组（PhiSh08–PhiSh13）中，有五个（PhiSh08–PhiSh12）已在人类粪便基因组（crAss样噬菌体）的研究中被鉴定出来。然后，作者尝试通过分析CRISPR间隔子预测这些PhiSh的细菌宿主。CRISPR间隔子通过JGI IMG / VR间隔数据库进行鉴定。结果显示PhiSh02，PhiSh04和Phish06可以侵染拟杆菌属，但没有预测到其他PhiSh和拟杆菌噬菌体的宿主，因此该方法在使用当前数据库时具有局限性。另外，仅鉴定出部分γ样PhiSh基因组（图3C）。缺乏全长γ样PhiSh基因组可能是由于原始研究的测序深度不足或存在与聚类γ噬菌体共享基因子集且高度发散的噬菌体。

图3 分离的拟杆菌噬菌体的SearchSRA（PhiSh）鉴定

04

识别与感染相关的Phams

以前的研究证明染色体基因座（包括编码CPS的基因座）可改变拟杆菌对噬菌体的敏感性。然而，在这些噬菌体中，宿主趋向的噬菌体编码决定因素以前没有被探索过。将这些噬菌体的CPS特异性与基因组聚类成员进行比较（图1B），发现宿主范围与基因组聚类成员之间的关系就变得很明显（图4A）。例如，聚类γ噬菌体主要感染无荚膜或表达cps7或cps8的菌株；聚类β噬菌体能够有效感染表达cps3的多型拟杆菌。某些聚类α噬菌体具有复杂的宿主范围，而其他聚类α噬菌体的宿主范围有限（更类似于聚类β和聚类γ噬菌体的宿主范围）。驱动聚类α噬菌体基因组变异的主要因素有两个：一个是这些噬菌体中共享的预测结构成分之间的变异；另一个是在基因组3’末端的基因中出现的镶嵌现象，表明有编码小型假设蛋白质的基因和编码DNA甲基化酶基因。因此，作者认为等位基因变异和phams存在与否可能导致噬菌体宿主范围产生差异。为了解决上述问题，他们使用了一种算法来识别与侵染相关的phams（IAP）。IAP中有一个聚类α gp8，它存在于所有的聚类α噬菌体中，在这些噬菌体之间表现出序列变异，并被预测会编码尾蛋白（图1C，4C）。具有SJC01样变体的噬菌体比没有该变体的噬菌体更有效地感染cps1，cps5，cps6和Dcps菌株（图4D）。在聚类α样噬菌体的宏基因组背景下对该IAP的分析显示噬菌体分离株中未表现出其他变异（图4E）。在PhiSh02和HSC01中，此IAP的变体涉及与碳水化合物的结合。这些结果表明该IAP在拟杆菌噬菌体中在识别复杂多糖（例如CPS）时的作用。作者无法识别聚类β和聚类γ噬菌体中的IAP。他们预计这是由于聚类β和γ代表的数量很少（n = 2和n = 6）并且聚类内的宿主范围相似（图4A）。

图4 拟杆菌噬菌体中IAP的预测

总结

作者以拟杆菌为宿主细菌，从4个不同地点分离了27种不同的拟杆菌噬菌体，对它们进行基因组测序和组装，然后进行归类，并通过观察电镜形态来验证聚类结果。进一步根据已有的数据库对噬菌体进行鉴定和宿主范围预测，并根据序列变异推测影响噬菌体宿主范围的因素。这种研究方法可以借鉴到青枯菌噬菌体的研究中，使用数据库进行宿主范围预测，再用已有的青枯菌资源库验证预测结果的准确性，为噬菌体鸡尾酒的配制提供理论依据。

论文信息

原名：Bacteroides thetaiotaomicron-Infecting Bacteriophage Isolates Inform Sequence-Based HostRange Predictions

译名：拟杆菌噬菌体的分离及其宿主范围预测

期刊：Cell Host Microbe

IF2020：15.75

发表时间：2020.07

通讯作者：Andrew J. Hryckowian

通讯作者单位：斯坦福大学医学院

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