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Nature|巨型噬菌体无处不在!

来源:admin    发布时间:2020-02-13   阅读数:534

热烈祝贺a级黄色片科学顾问李文均教授参与的研究其成果于2020年2月12日发表于Nature主刊,这无疑是2020年的一剂强心针,激励着我们无惧艰难,不断勇往直前!
该研究论文探究了噬菌体与宿主之间的各种互相作用、鉴定出目前最大的巨型噬菌体。噬菌体CRISPR-Cas系统干扰宿主生物合成系统的正常运作使其为噬菌体服务。甚至噬菌体可修改细菌CRISPR-Cas系统来消除竞争的噬菌体,利己主义者无疑!详细内容请看以下图文:


巨型噬菌体在地球生态的进化分类研究Clades of huge phage from across Earth’s ecosystems


作者:Basem Al-Shayeb1*, Rohan Sachdeva1*, Lin-Xing Chen1, Fred Ward1, Patrick Munk2, Audra Devoto1, Cindy J. Castelle1, Matthew R. Olm1, Keith Bouma-Gregson3, Yuki Amano4, Christine He1, Rapha?l Méheust1, Brandon Brooks1, Alex Thomas1, Adi Lavy1, Paula Matheus-Carnevali1, Christine Sun5, Daniela S. A. Goltsman5, Mikayla A. Borton6, Allison Sharrar3, Alexander L. Jaffe1, Tara C. Nelson7, Rose Kantor1, Ray Keren1, Katherine R. Lane1, Ibrahim F. Farag1, Shufei Lei3, Kari Finstad8, Ronald Amundson8, Karthik Anantharaman3, Jinglie Zhou9, Alexander J. Probst1, Mary E. Power10, Susannah G. Tringe9, Wen-Jun Li11, Kelly Wrighton6, Sue Harrison12, Michael Morowitz13, David A. Relman5, Jennifer A Doudna1, Anne-Catherine Lehours14, Lesley Warren7, Jamie H. D. Cate1, Joanne M. Santini15, Jillian F. Banfield1?

期刊:Nature

IF:43.07

时间:2020-2-12

*These authors contributed equally to this work 

 ?Corresponding Author: jbanfield@berkeley.edu 

1 Innovative Genomics Institute, University of California, Berkeley, 94720, California, USA 

2 National Food Institute, Technical University of Denmark, Kongens Lyngby, Denmark 

3 Earth and Planetary Science, University of California, Berkeley, CA, USA 

4 Japan Atomic Energy Agency, Tokai-mura, Japan 

5 Stanford University, California, 94305 USA 

6 Colorado State University, Colorado, USA 80521  

7 University of Toronto, Canada 

8 Environmental Science, Policy and Management, University of California, Berkeley, 94720,   California, USA 

9 DOE Joint Genome Institute, Walnut Creek, California, USA 

10 Integrative Biology, University of California, Berkeley, 94720, California, USA 

11 Sun Yat-Sen University, Guangzhou 510275, PR China 

12 Centre for Bioprocess Engineering Research, University of Cape Town


摘要


噬菌体被认为是细菌病毒,原因在于它们自身并不具备基础的生命系统,需要借助宿主才能进行复制。噬菌体基因组的大小一般仅有10kbp左右,截止到2017年,只有93个基因组大于200kbp的噬菌体被报道。
本文作者从人类、海洋、湖泊、沉积物和土壤等生态系统样本的测序数据中分析出几百个巨型噬菌体基因组,长度范围为200kbp~735kbp,其中包括迄今为止最大的噬菌体基因组。这些噬菌体基因组上含有多种CRISPR-Cas系统基因、tRNA合成酶基因、tRNA修饰酶基因、翻译起始与延伸因子基因和核糖体基因。其中噬菌体CRISPR-Cas系统具有沉默宿主翻译基因的能力,同时干扰宿主生物合成系统的正常运作使其为噬菌体服务。甚至噬菌体可修改细菌CRISPR-Cas系统来消除竞争的噬菌体。噬菌体在细菌宿主和地球生态系统中随处可见,其庞大的基因库反映了其保守的进化系统。

生态系统采样
本文用于分析的样本采集情况如下:

表1.全球采样信息
 

主要研究结果

噬菌体基因组基本特征

作者重建得到351个含有多种基因的噬菌体序列,大部分基因注释为结构蛋白,其中最大的蛋白长达7694个氨基酸。将上述的噬菌体序列进行成环分析,共得到35个完整的噬菌体序列,其中最大的噬菌体基因组为735kbp(图1),显著增加了数据库中巨型噬菌体的数量。有报道指出一些基因组的编码密度异常低,推测是使用了特别的密码子表来进行基因预测,此现象在Lak噬菌体中也有出现。在目前的研究中,针对一些人/动物相关的基因组,UAG未必作为终止密码子,而是作为氨基酸参与翻译过程。

 
图1. 噬菌体基因组特征展示

宿主多样性及分布特征

那巨型噬菌体是最近从正常噬菌体中拓展分类还是一直存在的稳定分类?针对此问题,作者利用了公共数据库收录的噬菌体基因组与本次获得的巨型噬菌体基因组构建系统进化树(图2)。进化树表明部分噬菌体出现聚集成分支的情况,包括本次获得的巨型噬菌体,对此分支的噬菌体进行统计发现基因组均大于120kbp,在每个分支中,噬菌体来自各种各样的环境,表明其分布的广泛性和多样性。

 
图2. 噬菌体系统进化树


为了确定细菌宿主的与噬菌体的系统发育关联情况,作者利用CRISPR spacer数据库鉴定噬菌体宿主,发现拟杆菌门和变形菌门是噬菌体的主要宿主,值得注意的是在本次分析得到5个长度大于634kbp的巨型噬菌体的宿主均属于拟杆菌门。与其他环境相比,人与动物肠道中以拟杆菌门为宿主的巨型噬菌体具有更高的比例,间接揭示肠道微生物的潜在组成成分。总而言之,推测系统进化树中聚集的噬菌体拥有相似的宿主。


噬菌体对宿主代谢、转录和翻译的影响

噬菌体基因组编码的蛋白预计会锚定在细菌表面,从而影响其他噬菌体入侵细菌宿主。已有报道说明噬菌体基因组编码的基因多数能在感染宿主的过程中增强宿主的代谢能力,如许多噬菌体都有与嘌呤和嘧啶合成相关的基因,还有与核酸与核糖核酸转换的相关基因。大部分噬菌体携带的基因与重塑宿主翻译方向有关,目前预测噬菌体核糖体蛋白具有替代宿主核糖体蛋白的潜在可能,他们会与宿主核糖体蛋白竞争结合位点,从而有助于噬菌体mRNA优先启动翻译。

图3. 噬菌体编码与翻译模型

     

控制翻译启动是噬菌体重塑宿主翻译方向的关键步骤,但翻译延伸和终止的效率也是保证翻译顺利进行的重要步骤。翻译终止因子也出现在巨型噬菌体基因组,包括核糖体循环因子、tmRNAs和SmpB等,它们可以将核糖体从被破坏的转录本上解救出来并且触发异常蛋白的降解。tmRNAs是噬菌体感知宿主细胞生理状态的工具,并在宿主核糖体停滞数量较多时引发降解。


CRISPR-Cas的媒介作用

作者在巨型噬菌体基因组上鉴定到多种主要的CRISPR-Cas系统类型,包括基于Cas9的II型、最近报道的V-I23型和V-U型等。在某些情况下,噬菌体具有与宿主相似的CRISPR重复序列,甚至可利用宿主合成Cas蛋白。我们通过宿主预测分析鉴定噬菌体的目标宿主,通过分析发现一些带有靶向细菌染色体spacers的噬菌体基因座可编码Cas蛋白用于降解宿主染色体,而其余基因座则无此功能。靶向宿主基因可使其调控作用改变或失效,这对噬菌体入侵宿主过程是有利的。而一些靶向细菌基因间区的噬菌体的CRISPR spacers可通过阻断宿主启动子或沉默ncRNAs来干扰宿主的调控网络。噬菌体与宿主之间的互相作用无疑会增强宿主的免疫库,从而防止竞争噬菌体的入侵,如被噬菌体CRISPR系统靶向的噬菌体,也会被细菌CRISPR系统靶向,这现象支持噬菌体-宿主的紧密关联性。


结论

1、大量且广泛分布的样本数据支持文章结论,可靠可信。

2、鉴定出目前最大的巨型噬菌体。

3、探究噬菌体与宿主之间的各种互相作用,包括转录、翻译和代谢过程,包括以CRISPR-Cas系统为媒介的间接作用。


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