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淡水宏病毒组揭示了新的功能性噬菌体抗药性基因

来源:admin    发布时间:2020-09-14   阅读数:86

宏病毒组作为新兴检测手段,能够快速准确的鉴定环境中所有的病毒组成,是一种发现新病毒的有力手段,今天的佳作便是一篇优秀的宏病毒组应用文章。作者通过宏病毒组在淡水中发现多个新的抗生素抗性基因。


Freshwater viral metagenome reveals novel and functional phage-borne antibiotic resistance genes

淡水宏病毒组揭示了新的功能性噬菌体抗药性基因

淡水宏病毒组揭示了新的功能性噬菌体抗药性基因

作者:Kira Moon 等

期刊:Microbiome

时间:2020.08

影响因子: 10.465

DOI:10.1186/s40168-020-00863-4


一、研究背景

细菌产生的抗生素耐药性对全球健康构成重大威胁。抗生素抗性基因(ARGs)通过多种传播途径在不同的细菌种群中传播,包括噬菌体介导的水平基因转移。噬菌体携带的ARGs被认为具有特别的威胁性,因为它们在环境中持续时间长,复制速度快,能够感染不同的细菌宿主。几项使用qPCR和病毒宏基因组学的研究表明,临床和环境样本中的病毒片段和病毒序列携带许多ARGs。然而,只有在少数由宏基因组序列组装的病毒群中发现了ARGs,这些基因大多缺乏有效的抗生素耐药表型。然而,由于病毒宏基因组学的广泛应用,从不同环境获得的病毒宏基因组中不断发现了不同种类的ARGs。因此,噬菌体编码的ARGs的存在和功能有望被深入讨论。


二、实验结果

1. 病毒组的特性和抗菌素抗性基因

2016年5月,在韩国汉江采集了6个地表水样本,从10 L样本中获得的病毒颗粒,并使用Illumina MiSeq平台进行元基因组测序,每个位点产生360万到660万reads,病毒reads占12.3%?13.8%,其中大部分属于环境中常见的有尾噬菌体目如肌尾噬菌体科(Myoviridae), 短尾噬菌体科(Podoviridae)和长尾噬菌体科(Siphoviridae)(图1),这些噬菌体携带多种辅助代谢基因(AMGs)。


从韩国汉江6个研究点收集的病毒宏基因组reads的分类分布图 图1 从韩国汉江6个研究点收集的病毒宏基因组reads的分类分布


病毒组reads中ARGs包括内酰胺酶基因、多药转运蛋白、多粘菌素耐药蛋白和万古霉素耐药蛋白(表1)。汉江宏病毒组也检测到内酰胺酶基因和万古霉素耐药蛋白,其含量较其他ARGs低。总体来看,汉江病毒群落中ARGs的比例约为0.1%。然而,由于携带ARGs的物种的序列长度较短(300 bp),其分类学尚不明确。病毒组的短片段也不足以预测噬菌体相关的ARGs是通过广义转导进入噬菌体衣壳,还是通过特异性转导进入噬菌体基因组。


表1 预测产生抗生素耐药性的病毒reads数

淡水宏病毒组揭示了新的功能性噬菌体抗药性基因


2.已组装的病毒contigs中的抗生素抗性基因

从汉江6个病毒组数据集中,将原始的病毒组reads组装成contigs。选择那些至少携带一个噬菌体相关基因的contigs,将其视作噬菌体基因组,最终获得5295个病毒contigs。利用病毒contigs预测的开放阅读框(ORFs)在ARG-specific database CARD (Comprehensive Antibiotic Resistance),Resfams,和MEGARes数据库中搜索,共发现25个ARGs(表2)。


表2 汉江病毒contigs中检索到的抗生素抗性基因列表 汉江病毒contigs中检索到的抗生素抗性基因列表


3.由病毒contigs编码新的功能性β-内酰胺酶

在4个病毒contigs中发现β-内酰胺酶编码基因(图2)。其中,H4-C441-ORF28与A类β-内酰胺酶相关,其余3个ORFs(H1-C74-ORF21,H4-C244-ORF21和H4-C367-ORF18)与metallo-β-内酰胺酶(MBLs)具有相同的核苷酸序列,显示出同源性。系统发育分析表明(图3),H4-C441-ORF28属于A类内酯酶的一个独特的分支,因此,将这一独特的A类内酯酶基因命名为blaHRV-1,其产物命名为HRV-1(汉江病毒β-内酰胺酶-1)。三个ORFs( H1-C74-ORF21、H4-C244-ORF21、H4-C367-ORF18)预测与MBLs相关,将MBLs相关的ORFs归为B3 MBLs亚类,形成了一个独立的单系簇,将该新基因及基因产物分别命名为blaHRVM-1和HRVM-1(汉江病毒metallo-β-内酰胺酶-1)。


4个病毒contigs中发现β-内酰胺酶编码基因图
图2 4个病毒contigs中发现β-内酰胺酶编码基因


系统发育分析图
图3 系统发育分析


此外,在细菌宏基因组组装的contigs中搜索HRV-1和HRVM-1的同源序列,发现其中三个宏基因组ORFs中含有HRV-1和HRVM-1,且每一个氨基酸序列相似度都达到100%。同时,这些ORFs的宏基因组群与含有blaHRV-1和blaHRVM-1的病毒群具有高度的同质性,表明汉江细菌群落中存在感染性噬菌体或携带blaHRV-1和blaHRVM-1的噬菌体。


三、结论与亮点

1. 在宏病毒组reads和contigs中,我们发现了多种ARGs,包括多粘菌素耐药基因、多药外排蛋白和内溶酶基因;

2.当Resfams数据库中使用较宽松的阈值(e值≤1×e?5和覆盖率≥60%)时,检测到新型的β-内酰胺基因酶blaHRV-1和blaHRVM-1,这些基因具有独特的序列,分别形成不同的A类和B3亚类的β-内酰胺酶;

3. 在细菌宏基因组中也发现了这些基因,这表明它们是通过积极感染噬菌体而获得的;

4. 环境中的病毒携带了尽管数量很少但尚未报道的功能ARG。因此环境噬菌体可能是变异广泛、未知的ARGs的宿主,这些ARGs可能通过病毒-宿主相互作用而传播。




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