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拟杆菌噬菌体的分离及其宿主范围预测

来源:admin    发布时间:2020-09-15   阅读数:95

目前噬菌体的研究方法较多,但是仍要进行深入的研究将需要的噬菌体从环境中分离出来。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。以下文章来源于南农LorMe ,作者LorMe实验室

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。 本文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》。


拟杆菌噬菌体的分离及其宿主范围预测


一、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。


二、主要结果

1、127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)。


拟杆菌噬菌体的分离及其宿主范围预测
图1 27种拟杆菌噬菌体的分离和表征


2、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)。

拟杆菌噬菌体的分离及其宿主范围预测
图2 31个拟杆菌噬菌体的系统发育网络


3、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。


拟杆菌噬菌体的分离及其宿主范围预测
图3 分离的拟杆菌噬菌体的SearchSRA(PhiSh)鉴定


4、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)。


拟杆菌噬菌体的分离及其宿主范围预测
图4 拟杆菌噬菌体中IAP的预测


三、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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