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从地球不同环境中发现351种新的巨大噬菌体,它们模糊了病毒和细菌之间的界线2020-11-05 06:24

在一项新的研究中,来自美国加州大学伯克利分校、科罗拉多州立大学、斯坦福大学、美国能源部牵头基因组研究所、匹兹堡大学医学院、中国中山大学、南非开普敦大学、法国国家科学研究中心、英国伦敦大学学院、澳大利亚墨尔本大学、丹麦技术大学、日本原子能机构和加拿大多伦多大学的研究人员找到了数百种出现异常大的、能杀掉细菌的病毒,它们一般来说具备与活的有机体涉及的功能,这模糊不清了活的细菌与病毒之间的界线。涉及研究结果于2020年2月12日在线公开发表在Nature期刊上,论文标题为“CladesofhugephagesfromacrossEarth’secosystems”。论文通讯作者为加州大学伯克利分校的JillBanfield教授。论文第一作者为加州大学伯克利分校研究生BasemAl-Shayeb和研究助理RohanSachdeva。这些病毒被称作噬菌体,这是因为它们毁灭细菌---细菌的大小和复杂性被指出是生命的典型特征。它们装载着一般来说在细菌中找到的许多基因,并用于这些基因抵抗它们的细菌宿主。这些研究人员通过搜寻可观的DNA数据库来找到这些极大噬菌体(hugephage,也称作megaphage),这些DNA数据库就是指将近30种有所不同的地球环境---从早产儿和孕妇的肠道到西藏温泉、病房、海洋、湖泊和深层地下---中产生的。他们总共检验出有351种有所不同的极大噬菌体,它们的基因组比毁灭单细胞细菌的病毒的平均值基因组大4倍或更加多倍。

从地球不同环境中发现351种新的巨大噬菌体,它们模糊了病毒和细菌之间的界线

在它们当中,不存在迄今为止找到的一种仅次于的噬菌体:它的基因组长735000个碱基(即735kb),比噬菌体的平均值基因组大将近15倍。这个未知仅次于的噬菌体基因组比许多细菌的基因组小得多。Banfield说道,“我们正在探寻地球的微生物组,有时不会经常出现意想不到的事情。一方面,这些极大噬菌体调和了无生命的噬菌体与细菌和古生菌之间的鸿沟。或许显然不存在一种顺利的存活策略:它们被我们指出是传统病毒和传统生物体之间的杂交体。”具备嘲讽意味的是,在这些极大噬菌体所装载的DNA中,不存在细菌用来对抗病毒的CRISPR系统的一部分。很有可能再次发生的情形是,一旦这些噬菌体将它们的DNA流经细菌,这种病毒CRISPR系统就不会强化宿主细菌的CRISPR系统,很有可能主要是让细菌CRISPR系统靶向其他病毒。Al-Shayeb说道,“令人著迷的是,这些噬菌体如何新的利用一种我们指出是归属于细菌或古生菌的系统,以使得它们自身获益于它们与噬菌体的竞争,从而启动时了有所不同病毒之间的战争。”新的Cas蛋白这些极大噬菌体中的一种也需要生产一种类似于Cas9蛋白的蛋白,Cas9是由加州大学伯克利分校的JenniferDoudna和她的欧洲同事EmmanuelleCharpentier改良的用作基因编辑的革命性工具CRISPR-Cas9的一部分。这些研究人员将这种微小的蛋白称作Cas?,这是因为希腊字母?或phi一般来说被用来回应噬菌体。Sachdeva说道,“在这些极大噬菌体中,找寻用作基因组工程的新工具的潜力相当大。我们找到的许多基因都是不得而知的,它们没假设的功能,有可能是工业、医学或农业应用于中新的蛋白的来源。”除了为噬菌体和细菌之间的持续战争获取新的看法之外,这些新的找到还对人类疾病产生影响。一般来说,病毒在细胞之间传送基因,还包括彰显抗生素抗性的基因。鉴于噬菌体不存在于细菌和古生菌生活的任何地方,还包括人类肠道微生物组,因此它们可以将危害的基因带进定植在人体内的细菌中。Banfield说道,“某些疾病是由噬菌体间接引发的,这是因为噬菌体不会传送与发作机理和抗生素抗性有关的基因。噬菌体基因组越大,传送这些基因的能力就越大,并且将不必须的基因传送给人体微生物组中细菌的可能性就越高。”对地球生物群落展开测序15多年来,Banfield仍然在探寻地球上有所不同环境中的细菌、古生菌和噬菌体的多样性。

从地球不同环境中发现351种新的巨大噬菌体,它们模糊了病毒和细菌之间的界线

她的方法就是对样本中的所有DNA展开测序,然后将测序出有的所有序列片段重新组合在一起,以装配出有基因组草图,或者在某些情况下,将从未见过的微生物的基因组几乎整理好。在这个过程中,她找到许多新的微生物具备大于基因组,或许足以保持独立国家的生活。忽略,它们或许倚赖其他细菌和古生菌才能存活下来。一年前,她已报导一些仅次于的噬菌体,即一群她称作Lak的噬菌体,可以在我们的肠道和口腔中寻找,在那里,它们毁灭肠道和唾液中的细菌。这篇新的论文是对Banfield累积的所有宏基因组序列以及全球研究合作者获取的新的宏基因组中的极大噬菌体展开了更加完全的搜寻。这些宏基因组来自狒狒、猪、阿拉斯加驼鹿、土壤样本、海洋、河流、湖泊和地下水(还包括孟加拉国人仍然饮用的被砷污染的地下水)。这些研究人员检验出有351个极大噬菌体基因组的长度多达200kb,是平均值噬菌体基因组长度50kb的四倍。他们需要确认175个极大噬菌体基因组的清楚长度,只剩的极大噬菌体基因组的长度有可能小于200kb。其中的一个原始的极大噬菌体基因组长度为735kb,如今是未知仅次于的噬菌体基因组。尽管这些极大噬菌体中的大多数基因编码不得而知的蛋白,但是这些研究人员仍需要在它们中检验出有编码对核糖体至关重要的蛋白的基因。在细胞中,核糖体是将信使RNA(mRNA)转化成为蛋白的蛋白生产工厂。核糖体主要由核糖体RNA(rRNA)和蛋白(也称作核糖体蛋白)构成。这些基因一般来说并不在病毒中找到,仅有在细菌或古生菌中找到。这些研究人员在这些极大噬菌体中找到了许多编码移往RNA(tRNA)的基因,tRNA装载氨基酸到核糖体中使得所装载的氨基酸统合到新的蛋白中;编码读取和调节tRNA的蛋白的基因;编码启动翻译成的蛋白和甚至核糖体本身一部分(所指的是rRNA或核糖体蛋白)的基因。Sachdeva说道,“一般来说而言,将生命与非生命区分出去的是享有核糖体和展开翻译成的能力;这是区分病毒和细菌、非生命与生命的主要特征之一。一些大型噬菌体具备很多这种翻译成复合物(即核糖体),因此它们使得这种区分界线有些模糊不清。”极大噬菌体有可能用于这些基因来重定向核糖体,使得它们以壮烈牺牲细菌蛋白生产为代价,更好地生产它们自身的蛋白。一些极大噬菌体也有替代的遗传密码,即编码特定氨基酸的核酸三联体,这可能会误解解码RNA的细菌核糖体。一些极大的噬菌体也有替代的遗传密码,即核酸三联体编码一种特定的氨基酸,这有可能欺骗了翻译成mRNA的细菌核糖体。此外,一些新发现的极大噬菌体装载了在许多种细菌CRISPR系统中找到的Cas蛋白变体的编码基因,比如Cas9、Cas12、CasX和CasY家族。Cas?是Cas12家族的一种变体。一些极大噬菌体也具备CRISPR阵列,它们一般来说是细菌基因组中储存病毒DNA片段的区域,所储存的病毒DNA片段作为参考序列,使得细菌需要辨识再度侵略的完全相同噬菌体并动员它们的Cas蛋白靶向和切割成再度侵略的噬菌体。