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全球巨病毒的基因组动态进化和复杂细胞代谢

来源:admin    发布时间:2020-08-17   阅读数:221

巨病毒竟有复杂的代谢编码能力?下面这篇发表在Nature Communications上的文章对巨病毒中存在的代谢基因及其功能性编码能力进行了研究。 

作者:Mohammad Moniruzzaman 等

期刊:Nature Communications

时间:2019

IF:12.35

DOI:10.1038/s41467-020-15507-2


一、研究背景

自从发现了真核巨病毒,人们对复杂病毒的理解已有所加深,但关于病毒代谢多样性的信息仍不甚了解。针对收集的全球环境样本数据,我们组装到了501个核质DNA巨病毒(Nucleo-Cytoplasmic Large DNA Viruses, NCLDV)的基因组,并分析了它们的功能性编码能力。研究发现巨病毒中广泛存在多样化的代谢基因,涉及的功能包括营养吸收、光捕获和氮代谢。惊人的是众多NCLDV都有糖酵解和TCA循环代谢基因,这说明它们可以重新编码其宿主核心碳代谢的基础部分。NCLDV代谢基因及其细胞同源染色体的进化分析表明,这些聚类到了不同分支的序列从遥远的过去获得,已成为病毒的特有基因。总之,该研究证实巨病毒有着复杂的代谢编码能力,它们的进化史很大程度上独立于细胞生命,这也暗示在全球生化循环中巨病毒是重要的驱动者。


二、实验设计

从宏基因数据中组装NCLDV基因组,并构建进化树。寻找MAGs直系同源基因簇并进行注释,分析NCLDV基因组与其蛋白家族的关系,再对NCLDV的代谢基因进行进化分析。


三、实验结果

1. NCLDV MAGs的进化多样性

我们用新分析流程从1545份宏基因组数据中组装到501个基因组大小在100-1400 Kbp的新NCLDV MAGs,它们MAGs大多来自海水或清水样本(分别有444个和36个),将来自其他样本的21个MAGs归类为others(图1)。

根据5个高度保守基因,将新MAGs和121个NCLDV参考基因组共建进化树(图1)。结果显示这些MAGs大多属于Mimiviridae和Phycodnaviridae(分别有350个和126个),同样还有16个Iridoviridae,7个Asfarviridae,1个 Marseillviridae和Pithoviridae。多元化的Phycodnaviridae至少包含2类单系起源类群,1类是Late Phycodnaviridae(108个MAGs),一类是Early Phycodnaviridae(18个MAGs)。NCLDV的核酸平均相似性在26%-100%之间(图1b)。

鉴于在NCLDV成员间的巨大差异,我们进一步将它们细分成了54个主要类群。Late Phycodnaviridae中的clade1含有有很多小基因组病毒(100-225 Kbp),而Early Phycodnaviridae中病毒基因组更大,分支更长,说明该类群可能还有未发现的物种(图1a)。Mimiviridae拥有目前已知的最大病毒基因组,如clade16的19个MAGs中有13个的基因组>500 Kbp。需要说明的是,虽然NCLDV MAGs包含了多数marker基因,但其基因组大小可能因为序列不完整而被低估。

2.NCLDV MAGs的进化基因组学

将新MAGs和126个NCLDV参考基因组进行直系同源簇(orthologous groups OGs)分析,得到的81411个OGs只有27%与已知蛋白同源,68%的OGs仅在一种NCLDV中出现(图2a,b)。图2c展示了MAGs在科水平上的主要聚类情况。可以说,NCLDV基因组在长期进化后有很多方面都与细菌、古菌类似。

NCLDV基因的进化分析表明,各类基因簇有不同的OGs聚类结果,且大部分OG在各分支中的分布不均匀 (图3a)。这些特殊OGs涉及的功能包括DNA修复、翻译和转录。尤为突出的Mimivirus clade 16中包含多种拥有最高比例翻译相关基因的病毒,这可以成为评估NCLDV功能多样性的标杆。

3. NCLDV的代谢潜能

NCLDV中存在大量的与细胞死亡、营养加工和获取、氧化胁迫调节等基因,在Mimiviridae和Phycodnaviridae中这些基因尤其丰富(图3b)。例如,能促进宿主中基因组传递的小球藻病毒的K+ 通道(KcV)蛋白,在late Phycodnaviridae和Mimiviridae中也有发现,其他功能如DNA修复和加工也几乎可在Mimiviridae和Phycodnaviridae中找到。总之,可培养NCLDV在感染宿主时表现的繁殖及感染特性在自然界的NCLDV中也是普遍存在的。

此外,我们在多个NCLDV簇中发现了与营养获取、光驱动的能量生产的基因(图3b)。核心碳代谢相关基因通常被看做是细胞生命的基础特征,但很多NCLDV也存在这类基因,且主要集中在Mimivirus的clade1、9、16上(图3b ,图4a)。有16个MAGs能编码与糖酵解途径相邻的G3P和PGK(图4a,b),而这是细胞生命中还未见报道的。一个MAG还能编码糖酵解途径中的7个步骤(图4d),更能证明其代谢的独立性。

4.NCLDV代谢基因的进化史

从构建的进化树上可以看出,NCLDV的代谢基因,如PhoH、GAPDH、超氧化物歧化酶等等,有聚集在一起的趋势(图5)。分析结果表明,虽然NCLDV从宿主中获取了大量的代谢基因,但这些基因演化成了病毒特有基因。总之,以前人们认为NCLDV只能零星的从宿主中获取基因,但本研究表明NCLDV可以编码自己特有的代谢机制。


四、小结与亮点

以前的观念认为病毒只能附庸于细胞生命才能生存。本研究用构建的新分析流程组装到了501个NCLDV的基因组,进一步分析发现它们含有很多病毒特有基因,这些基因能直接塑造病毒的生理机能,病毒本身已经具有了独立且多样的代谢活性。总之,和微生物一样,病毒也能通过独特的生理机能来塑造地球生物化学循环。




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