在一項新的研究中，來自美國加州大學伯克利分校、科羅拉多州立大學、斯坦福大學、美國能源部聯(lián)合基因組研究所、匹茲堡大學醫(yī)學院、中國中山大學、南非開普敦大學、法國國家科學研究中心、英國倫敦大學學院、澳大利亞墨爾本大學、丹麥技術大學、日本原子能機構和加拿大多倫多大學的研究人員發(fā)現(xiàn)了數(shù)百種異常大的、能殺死細菌的病毒，它們通常具有與活的有機體相關的功能，這模糊了活的細菌與病毒之間的界線。相關研究結果于2020年2月12日在線發(fā)表在Nature期刊上，論文標題為“Clades of huge phages from across Earth’s ecosystems”。論文通訊作者為加州大學伯克利分校的Jill Banfield教授。論文第一作者為加州大學伯克利分校研究生Basem Al-Shayeb和研究助理Rohan Sachdeva。

這些病毒被稱為噬菌體，這是因為它們吞噬細菌---細菌的大小和復雜性被認為是生命的典型特征。它們攜帶著通常在細菌中發(fā)現(xiàn)的許多基因，并使用這些基因抵抗它們的細菌宿主。

這些研究人員通過搜索龐大的DNA數(shù)據(jù)庫來發(fā)現(xiàn)這些巨大噬菌體（huge phage，也稱為megaphage），這些DNA數(shù)據(jù)庫是從將近30種不同的地球環(huán)境---從早產兒和孕婦的腸道到西藏溫泉、病房、海洋、湖泊和深層地下---中產生的。他們總共鑒定出351種不同的巨大噬菌體，它們的基因組比吞噬單細胞細菌的病毒的平均基因組大4倍或更多倍。在它們當中，存在迄今為止發(fā)現(xiàn)的一種最大的噬菌體：它的基因組長735000個堿基（即735kb），比噬菌體的平均基因組大近15倍。這個已知最大的噬菌體基因組比許多細菌的基因組大得多。

Banfield說，“我們正在探索地球的微生物組，有時會出現(xiàn)意想不到的事情。一方面，這些巨大噬菌體彌合了無生命的噬菌體與細菌和古生菌之間的鴻溝。似乎確實存在一種成功的生存策略：它們被我們認為是傳統(tǒng)病毒和傳統(tǒng)生物體之間的雜交體?！?/p>

具有諷刺意味的是，在這些巨大噬菌體所攜帶的DNA中，存在細菌用來對抗病毒的CRISPR系統(tǒng)的一部分。很有可能發(fā)生的情形是，一旦這些噬菌體將它們的DNA注入細菌，這種病毒CRISPR系統(tǒng)就會增強宿主細菌的CRISPR系統(tǒng)，很可能主要是讓細菌CRISPR系統(tǒng)靶向其他病毒。

Al-Shayeb說，“令人著迷的是，這些噬菌體如何重新利用一種我們認為是屬于細菌或古生菌的系統(tǒng)，以使得它們自身受益于它們與噬菌體的競爭，從而觸發(fā)了不同病毒之間的戰(zhàn)爭?！?/p>

新的Cas蛋白

這些巨大噬菌體中的一種也能夠制造一種類似于Cas9蛋白的蛋白，Cas9是由加州大學伯克利分校的Jennifer Doudna和她的歐洲同事Emmanuelle Charpentier改進的用于基因編輯的革命性工具CRISPR-Cas9的一部分。這些研究人員將這種微小的蛋白稱為Cas?，這是因為希臘字母?或phi通常被用來表示噬菌體。

Sachdeva說，“在這些巨大噬菌體中，尋找用于基因組工程的新工具的潛力很大。我們發(fā)現(xiàn)的許多基因都是未知的，它們沒有假定的功能，可能是工業(yè)、醫(yī)學或農業(yè)應用中新蛋白的來源?！?/p>

除了為噬菌體和細菌之間的持續(xù)戰(zhàn)爭提供新的見解之外，這些新的發(fā)現(xiàn)還對人類疾病產生影響。通常，病毒在細胞之間傳遞基因，包括賦予抗生素抗性的基因。鑒于噬菌體存在于細菌和古生菌生活的任何地方，包括人類腸道微生物組，因此它們可以將有害的基因帶入定植在人體內的細菌中。

Banfield說，“某些疾病是由噬菌體間接引起的，這是因為噬菌體會傳遞與發(fā)病機理和抗生素抗性有關的基因。噬菌體基因組越大，傳遞這些基因的能力就越大，并且將不需要的基因傳遞給人體微生物組中細菌的可能性就越高?！?/p>

對地球生物群落進行測序

15多年來，Banfield一直在探索地球上不同環(huán)境中的細菌、古生菌和噬菌體的多樣性。她的方法就是對樣本中的所有DNA進行測序，然后將測序出的所有序列片段拼湊在一起，以組裝出基因組草圖，或者在某些情況下，將從未見過的微生物的基因組完全整理好。在這個過程中，她發(fā)現(xiàn)許多新的微生物具有極小基因組，似乎不足以維持獨立的生活。相反，它們似乎依賴其他細菌和古生菌才能生存下來。

一年前，她已報道一些最大的噬菌體，即一群她稱為Lak的噬菌體，可以在我們的腸道和口腔中找到，在那里，它們吞噬腸道和唾液中的細菌。

這篇新的論文是對Banfield積累的所有宏基因組序列以及全球研究合作者提供的新的宏基因組中的巨大噬菌體進行了更徹底的搜索。這些宏基因組來自狒狒、豬、阿拉斯加駝鹿、土壤樣本、海洋、河流、湖泊和地下水（包括孟加拉國人一直飲用的被砷污染的地下水）。

這些研究人員鑒定出351個巨大噬菌體基因組的長度超過200kb，是平均噬菌體基因組長度50 kb的四倍。他們能夠確定175個巨大噬菌體基因組的確切長度，剩下的巨大噬菌體基因組的長度可能大于200kb。其中的一個完整的巨大噬菌體基因組長度為735kb，如今是已知最大的噬菌體基因組。

盡管這些巨大噬菌體中的大多數(shù)基因編碼未知的蛋白，但是這些研究人員仍能夠在它們中鑒定出編碼對核糖體至關重要的蛋白的基因。在細胞中，核糖體是將信使RNA（mRNA）轉化為蛋白的蛋白制造工廠。核糖體主要由核糖體RNA（rRNA）和蛋白（也稱為核糖體蛋白）組成。這些基因通常并不在病毒中發(fā)現(xiàn)，僅在細菌或古生菌中發(fā)現(xiàn)。

這些研究人員在這些巨大噬菌體中發(fā)現(xiàn)了許多編碼轉移RNA（tRNA）的基因，tRNA攜帶氨基酸到核糖體中使得所攜帶的氨基酸整合到新的蛋白中；編碼加載和調節(jié)tRNA的蛋白的基因；編碼啟動翻譯的蛋白和甚至核糖體本身一部分（指的是rRNA或核糖體蛋白）的基因。

Sachdeva說，“通常而言，將生命與非生命區(qū)分開來的是擁有核糖體和進行翻譯的能力；這是區(qū)分病毒和細菌、非生命與生命的主要特征之一。一些大型噬菌體具有很多這種翻譯復合物（即核糖體），因此它們使得這種區(qū)分界線有些模糊?！?/p>

巨大噬菌體可能使用這些基因來重定向核糖體，使得它們以犧牲細菌蛋白制造為代價，更多地制造它們自身的蛋白。一些巨大噬菌體也有替代的遺傳密碼，即編碼特定氨基酸的核酸三聯(lián)體，這可能會混淆解碼RNA的細菌核糖體。一些巨大的噬菌體也有替代的遺傳密碼，即核酸三聯(lián)體編碼一種特定的氨基酸，這可能迷惑了翻譯mRNA的細菌核糖體。

此外，一些新發(fā)現(xiàn)的巨大噬菌體攜帶了在許多種細菌CRISPR系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)的Cas蛋白變體的編碼基因，比如Cas9、Cas12、CasX和CasY家族。Cas?是Cas12家族的一種變體。一些巨大噬菌體也具有CRISPR陣列，它們通常是細菌基因組中儲存病毒DNA片段的區(qū)域，所儲存的病毒DNA片段作為參照序列，使得細菌能夠識別再次入侵的相同噬菌體并動員它們的Cas蛋白靶向和切割再次入侵的噬菌體。

Banfield說，“我們得出的高水平結論是，具有較大基因組的巨大噬菌體在整個地球生態(tài)系統(tǒng)中都非常突出，它們并不是某個生態(tài)系統(tǒng)獨有的。具有較大基因組的巨大噬菌體意味著它們是具有悠久的較大基因組歷史的譜系。擁有較大基因組是一種成功的生存策略，而我們對此知之甚少?！?/p>

這些研究人員將351種巨大噬菌體分為10個新的進化枝（clade），以這篇論文的共同作者的語言中表示“大”的詞語命名：Mahaphage（梵語）、Kabirphage、Dakhmphage、Jabbarphage（阿拉伯語）；Kyodaiphage（日語）；Biggiephage（澳大利亞英語），Whopperphage（美國英語）；Judaphage（中文），Enormephage（法語）和Kaempephage（丹麥語）。

參考資料：

1.Basem Al-Shayeb et al. Clades of huge phages from across Earth’s ecosystems. Nature, 2020, doi:10.1038/s41586-020-2007-4.

2.Huge bacteria-eating viruses close gap between life and non-life

https://phys.org/news/2020-02-huge-bacteria-eating-viruses-gap-life.html

轉載于：2020年2月17日17:59生物谷官方賬號