科学家发现迄今为止最大噬菌体 基因组是普通噬菌体的15倍

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科学家发现了数百种非常大的杀菌病毒,它们的能力通常与活的有机体有关,模糊了活的微生物和病毒机器之间的界限。

这些噬菌体是以“吃”细菌命名的。它们的大小和复杂性被认为是生命的典型特征。它们携带许多常见于细菌的基因,并利用这些基因来对付它们的细菌宿主。

加州大学伯克利分校的研究人员和他们的合作者通过搜索从近30个不同地球环境中产生的巨大DNA数据库发现了这些巨型噬菌体,从早产儿和孕妇的内脏到西藏温泉、南非生物反应器、病房、海洋、湖泊和地下深处。

他们鉴定了351种不同的巨型噬菌体,它们的基因组比以单细胞细菌为食的病毒的平均基因组大4倍多。

其中有迄今为止发现的最大的噬菌体:它的基因组有个碱基对长,几乎是普通噬菌体的15倍。已知最大的噬菌体基因组比许多细菌的基因组大得多。

“我们正在探索地球上的微生物群落,有时会发生意想不到的事情。这些病毒和细菌是生物体的一部分,可以复制实体,但我们对它们知之甚少。”加州大学伯克利分校的教授吉尔班菲尔德说,他是地球和行星科学、环境科学、政策和管理的高级研究员,也是该发现的资深作者。这篇论文发表在2月12日发行的《自然》上。“这些巨大的噬菌体填补了无生命噬菌体与细菌和古细菌之间的空白。似乎一定有一些成功的生存策略。我们认为它们是传统病毒和传统有机体的混合物。”

具有讽刺意味的是,这些巨型噬菌体携带的DNA是细菌用来对抗病毒的CRISPR系统的一部分。很有可能一旦这些噬菌体将它们的DNA注入细菌,病毒的CRSPR系统将增强宿主细菌的CRSPR系统,可能主要针对其他病毒。加州大学伯克利分校的研究生巴塞姆阿尔谢耶布说:“这些噬菌体如何重复利用我们认为是细菌或古细菌的系统,从而使它们能够从竞争中获益,并促进这些病毒之间的斗争,这很有意思。”Al-Shayeb和他的同事Rohan Sachdeva是杂志《自然》上这篇论文的第一作者。

一种巨大的噬菌体也能产生一种类似于Cas9蛋白的蛋白,这是革命性工具CRISPR-Cas9的一部分。加州大学伯克利分校的珍妮弗杜德纳和她的欧洲同事伊曼纽尔夏彭蒂尔对该工具进行了基因编辑,后者获得了2020年以色列狼医学奖。该小组称这种微小的蛋白质为“Cas”,因为希腊字母或phi通常被用来代表噬菌体。

"在这些巨大的噬菌体中,有很大的潜力找到基因组工程的新工具。"萨克德瓦说,“我们发现的许多基因都是未知的。它们没有假定的功能,可能是工业、医疗或农业应用的新蛋白质来源。”

除了对噬菌体和细菌之间正在进行的战争提供新的见解外,这些新发现也对人类疾病产生了影响。病毒通常在细胞间携带基因,包括对抗生素有抗性的基因。因为噬菌体出现在细菌和古细菌生活的地方,包括人类肠道微生物区系,它们能给人类细菌带来有害基因。“有些疾病是由噬菌体间接引起的,因为噬菌体绕过了与致病机理和抗生素抗性相关的基因。”班菲尔德说,“基因组越大,绕过这些基因的能力就越强,将不良基因转移到人类微生物种群中的细菌的可能性就越大。”班菲尔德还是创新基因组学研究所(IGI)微生物研究的负责人,也是CZ生物中心的研究员。

地球生物群落的排序

15年来,班菲尔德一直在探索细菌的多样性。她说古细菌是地球上不同环境中细菌和噬菌体的迷人近亲。她的方法是对样本中的所有DNA进行测序,然后将片段拼接在一起形成一个基因组草图,或者在某些情况下,对从未见过的微生物基因组进行完全分类。

在这个过程中,她发现许多新微生物的基因组极其微小,似乎不足以维持独立的生命。相反,它们似乎依赖其他细菌和古细菌生存。

一年前,她报道了一些最大的噬菌体,她称之为Lak噬菌体,可以在我们的肠道和口腔中找到。它们以肠道和唾液中的微生物为食。《

《自然》》杂志上的这篇新论文对班菲尔德积累的所有元基因组序列中的巨型噬菌体进行了更深入的研究,并从世界各地的研究伙伴那里获得了新的元基因组。这些元基因组来自狒狒、猪、阿拉斯加驼鹿、土壤样本、海洋、河流、湖泊和地下水,包括一直饮用砷污染水的孟加拉人。

研究小组鉴定了351个噬菌体基因组,长度超过200个碱基,是噬菌体基因组平均长度50个碱基的四倍。他们能够确定175个噬菌体基因组的确切长度。其他的可能比200kb大得多。完整的基因组有个碱基对,这是目前已知的最大的噬菌体基因组。

虽然这些巨型噬菌体中的大多数基因编码未知的蛋白质,但研究人员可以识别编码蛋白质的基因,这对于核糖体将信使核糖核酸转化为蛋白质的机制至关重要。这种基因通常不存在于病毒中,而只存在于细菌或古细菌中。

研究人员发现了许多转移核糖核酸的基因,这些基因将氨基酸携带到核糖体上,并整合到新的蛋白质中。装载和调节tRNAs蛋白基因;启动翻译的蛋白质基因,甚至是核糖体本身的片段。通常,核糖体和翻译能力是区分生物和非生物的因素;这是区分病毒和细菌、无生命和有生命的主要特征之一。”萨克德瓦说,“一些大型噬菌体有许多这样的翻译机制,所以它们的界限有些模糊。”

巨大的噬菌体可能会利用这些基因来改变核糖体的方向,以细菌蛋白质为代价复制更多自己的蛋白质。一些巨型噬菌体也有替代的遗传密码。核酸三链体编码一种特定的氨基酸,这可能会使解码核糖核酸的细菌核糖体混淆。

此外,一些新发现的巨型噬菌体携带在各种细菌CRISPR系统中发现的Cas蛋白变异基因,如Cas9、Cas12、CasX和CasY家族。Cas是Cas12家族的变体。一些大型噬菌体也有CRISPR阵列,这是细菌基因组的一部分。病毒DNA的片段储存在这里作为将来的参考,这使得细菌能够识别返回的噬菌体,并动员它们的Cas蛋白来定位和切割它们。

"从高层次来看,具有大基因组的噬菌体在地球的整个生态系统中非常突出。它们不是生态系统所独有的。”班菲尔德说:“具有大基因组的噬菌体是有亲缘关系的,这意味着这些已建立的谱系具有很长的大基因组历史。拥有大基因组是一种成功的生存策略,我们对此知之甚少。”

研究人员将3.51亿个噬菌体分成10个新的组或分支,以合着者母语中的“大”字命名:玛哈噬菌体(梵语)、卡比菲格、达克噬菌体和贾巴噬菌体(阿拉伯语);共同社(日语);澳大利亚英语,美国英语;Judaphage(中文),Enormephage(法文);和坎培法奇(丹麦)。

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