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《多国合作从地球不同环境中发现351种新的巨大噬菌体》

  • 来源专题：生物科技领域知识集成服务
  • 编译者： 陈方
  • 发布时间：2020-09-10

  • 噬菌体是一种感染细菌的病毒，通常其具有较小的基因组（几万个碱基），并依赖于它们的宿主进行复制，由于噬菌体捕食特定的细菌种群、介导侧向基因转移、改变宿主代谢并通过细胞裂解来重新分布细菌衍生的化合物等作用，而成为生态系统变化的媒介。
    美国加州大学伯克利分校、科罗拉多州立大学等机构联合中、法、英等多国研究人员于2020年2月12日在Nature上发表论文，对“巨大噬菌体（megaphage）”进行研究，研究人员对来自不同生态系统组成的宏基因组（metagenomic）数据库的DNA进行测序，重建了351个噬菌体序列，其长度超过20万个碱基（200 kb），其中包括迄今为止发现的最大的一种噬菌体，其基因组长度达735 kb，比噬菌体的平均基因组大近15倍。集合基因组数据库包括各种以前未描述的CRISPR-Cas系统、tRNA、tRNA合成酶、tRNA修饰酶、翻译起始和延伸因子以及核糖体蛋白，噬菌体的CRISPR-Cas系统具有沉默宿主转录因子和翻译基因的能力，有可能作为更大的相互作用网络的一部分。此外，某些噬菌体还可能会重新利用细菌CRISPR-Cas系统来消除竞争性噬菌体。本研究在系统发育上定义了人类和其他动物微生物群以及海洋、湖泊、沉积物、土壤和建筑环境中巨大噬菌体的主要进化枝，具有较大基因组的巨大噬菌体不是某个生态系统独有的，而是分布在广泛的细菌宿主范围和整个地球生态系统中，其拥有较大基因组反映了保守的生物学策略。
    宋琪 编译自https://www.nature.com/articles/s41586-020-2007-4
    原文标题：Clades of huge phages from across Earth’s ecosystems

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  • 《两篇Cell发现噬菌体抱团抑制细菌CRISPR免疫系统》
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    • 编译者：hujm
    • 发布时间：2018-07-22
    • CRISPR是规律间隔性成簇短回文重复序列（clustered regularly interspaced short palindromic repeats）的简称。它是旨在抵御外来DNA的细菌免疫系统的一个重要的组成部分。在细菌中，CRISPR的作用就像在人体细胞中的一把剪刀一样，切割外来的DNA链。尽管科学家们已知道CRISPR在野外大约一半的细菌中发现到，但他们对CRISPR与入侵的病毒或噬菌体之间的分子战争知之甚少。 在2018年7月19日同时在线发表在Cell期刊上的两篇论文中，来自两个研究团队的研究人员提供了当入侵含有CRISPR的细菌时，噬菌体彼此间进行合作的证据。他们发现为了压制CRISPR的破坏，噬菌体通过联合起来快速地感染细菌来加以适应，而且有时一个噬菌体还会为此作为引火噬菌体（primer phage）牺牲自我。这两个研究团队---来自美国加州大学旧金山分校和英格兰埃克塞特大学----着重关注细菌和噬菌体之间基于CRISPR和抗CRISPR蛋白（anti-CRISPR protein）的免疫关系。这两篇论文的标题为“Bacteriophage Cooperation Suppresses CRISPR-Cas3 and Cas9 Immunity”和“Anti-CRISPR Phages Cooperate to Overcome CRISPR-Cas Immunity”。 加州大学 加州大学旧金山分校的研究人员意外地发现噬菌体彼此间相互合作旨在赢得与CRISPR之间的时间和数量战争。为了成为一种有效的免疫策略，含有CRISPR的细菌必须快速地对噬菌体攻击作出反应，并且必须在噬菌体杀死它之前这样做。加州大学旧金山分校的Joseph Bondy-Denomy说，“这是一个非常快速的时间和数字游戏。CRISPR蛋白必须非常快地找到病毒DNA，如果无法做到这一点，那么病毒就会继续入侵并杀死细菌细胞。” Bondy-Denomy团队研究了铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa），这是已知在遭受噬菌体感染前会预先表达数百个CRISPR分子的细菌之一。当单个噬菌体基因组进入细菌细胞时，CRISPR能够立即起作用。在一些其他的细菌中，CRISPR仅在遭受噬菌体感染时才被启动。 在铜绿假单胞菌含有的大约30种已知的向导RNA（gRNA）中，每个CRISPR蛋白复合物含有其中的一种不同的gRNA。为了让CRISPR系统有效地发挥作用，它必须找到与它的gRNA相匹配的靶标。具有正确的gRNA的CRISPR蛋白复合物与当时恰好正在入侵的噬菌体匹配上，结合到噬菌体DNA上并进行切割，这样细菌细胞便战胜噬菌体的入侵。Bondy-Denomy说，“噬菌体带来的挑战是非常快地产生抗CRISPR蛋白（Acr）来阻止这种切割发生。”他在几年前首次发现了抗CRISPR蛋白。在这项新的研究中，他的团队发现单个噬菌体基因组不可能足够快地产生这些抗CRISPR蛋白，这是因为细菌细胞中的CRISPR蛋白已作好准备。 Bondy-Denomy说，“我们认为正在发生的事情就是第一个噬菌体起着一个自杀性的噬菌体的作用。它会被破坏，但是一路上它会开始产生一些抗CRISPR蛋白，这些抗CRISPR蛋白中和一些CRISPR，从而帮助它的同类在随后发起感染。”他的团队正在提出一种新的模型，在这种模型中，第一个噬菌体有助于下一个噬菌体成功地感染细菌，即便第一个噬菌体为此付出生命的代价。至于谁会赢得CRISPR和噬菌体之间的战斗，这是由参与的CRISPR蛋白和抗CRISPR蛋白分子的数量和速度之间的临界点决定的。此外，该团队发现并非所有的抗CRISPR分子都具有相同的强度，这使得维持这两者之间的平衡更加复杂化。 Bondy-Denomy团队认为，这种噬菌体合作是一种利他主义的形式，以确保噬菌体在宿主内继续复制，这一点并没有之前的病毒或噬菌体模型中加以报道，而且之前的模型通常认为病毒或噬菌体不过是蛋白外壳包围着的惰性核酸。他们希望这一发现将会刺激那些在病毒领域开展研究工作的人，特别是那些致力于研究人类病毒的人。 埃克塞特大学 埃克塞特大学的研究人员也发现感染铜绿假单胞菌的噬菌体颗粒彼此间能够合作来克服抗病毒的CRISPR防御。 在埃克塞特大学的Edze Westra和Stineke Van Houte的领导下，这些研究人员（以下称埃克塞特大学团队）确定一些含有CRISPR的细菌对编码着抗CRISPR蛋白的噬菌体具有部分免疫力。他们证实这些噬菌体合作克服CRISPR防御的过程：第一个噬菌体阻断宿主CRISPR免疫系统，从而产生CRISPR免疫防御受到抑制的细菌宿主，接着随后的噬菌体就能够成功地在这个细菌宿主中复制。 鉴于单个噬菌体本身不能完全压制CRISPR，这需要噬菌体开展“团队合作”来克服它并在细菌群体中建立感染。随着CRISPR免疫防御受到抑制的细菌宿主在细菌群体中的数量在增加，越来越多的噬菌体感染取得成功，这就导致感染扩散。因此，为了让噬菌体感染在整个细菌群体中扩散，环境中最初需要一定数量的噬菌体。导致这种噬菌体感染扩散所需的初始噬菌体数量标志着一个临界点，它决定着噬菌体是否持续复制或或者说这种感染是否会消失。 埃克塞特大学团队认为这一突破性的发现可能有助于改善噬菌体疗法，这种疗法长期以来一直被研究和测试用于治疗病原性细菌感染。Van Houte说，“噬菌体共同作用来抑制细菌免疫系统的这一发现对我们来说是非常令人吃惊的，这能够有助于改进利用噬菌体治疗人类细菌感染的策略，这是因为用于治疗的噬菌体剂量将决定着噬菌体是否能够成功地清除细菌感染。” Westra 说，“更一般地说，这表明病毒对宿主的持久性免疫抑制作用能够对病毒感染的流行病学产生深远的影响。”
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  • 《研究发现新颖毒素-抗毒素系统具有控制温和噬菌体激活和防御噬菌体的双重功能》
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    • 8月23日，中国科学院南海海洋研究所热带海洋生物资源与生态重点实验室研究员王晓雪团队联合哈佛医学院Matthew K. Waldor团队，发现了温和噬菌体编码的新颖的三组分的毒素-抗毒素系统，并解析了这一新系统在温和噬菌体溶原裂解转化和噬菌体防御方面的双重功能，相关研究成果以“Control of lysogeny and antiphage defense by a prophage-encoded kinase-phosphatase module”为题，在线发表于《自然-通讯》（Nature Communications）。南海海洋所研究员郭云学、副研究员汤开浩，哈佛医学院Brandon Sit和南海海洋所2022级博士研究生古嘉瑜为该论文共同第一作者，南海海洋所研究员王晓雪和哈佛医学院教授Matthew K. Waldor为该论文的共同通讯作者。合作者还包括哈佛大学Hongbo R. Luo团队。 在微生物世界中，噬菌体（感染细菌的病毒）与宿主之间的相互作用一直是生物学研究的热点。丝状噬菌体广泛存在于自然界中，可以侵染细菌和古菌宿主。假单胞菌属的Pf丝状噬菌体在生物膜形成和毒力中扮演重要角色。然而，关于Pf原噬菌体在生物膜中激活的机制仍是一个谜。揭示这些复杂的生物学过程对于寻找新的治疗策略，发现和认识丝状噬菌体的生物学和生态学功能具有重要的意义。 在这项研究中，研究人员报道了铜绿假单胞菌中的丝状温和噬菌体携带的三组分毒素-抗毒素系统KKP（kinase-kinase-phosphatase）的双重功能。原噬菌体诱导通常通过控制噬菌体阻遏蛋白活性进行调节，例如宿主因子对阻遏蛋白的特异性切割使其失活来激活噬菌体的裂解途径。毒素KK的其中一个靶标是宿主的拟核结合蛋白MvaU。KKP通过激酶和磷酸酶活性之间的平衡控制MvaU的磷酸化水平，从而调控丝状噬菌体的溶原-裂解转化及噬菌体颗粒的产生。此外，研究发现抗毒素活性被烈性噬菌体的复制蛋白抑制，激活毒素KK活性，抑制了烈性噬菌体的繁殖。 KKP的发现将毒素-抗毒素系统引入了宿主-噬菌体相互作用的模型，作为控制温和噬菌体裂解的开关和烈性噬菌体入侵的盾牌，通过可逆翻译后修饰发挥功能，位于环境信号、噬菌体复制和宿主生理状态的交汇中心。 KKP基因簇在超过1000种不同的温和原噬菌体存在。KKP代表了一种基于磷酸化的温和噬体激活和防御噬菌体的机制，揭示了毒素-抗毒素系统是自然界温和噬菌体和烈性噬菌体两大类噬菌体之间博弈的筹码。 本研究工作得到国家自然科学基金、国家科技部重点研发计划、广东省本土创新团队等项目的资助。 相关论文信息：Yunxue Guo#, Kaihao Tang#, Brandon Sit#, Jiayu Gu#, Ran Chen, Xinqi Shao, Shituan Lin, Zixian Huang, Zhaolong Nie, Jianzhong Lin, Xiaoxiao Liu, Weiquan Wang, Xinyu Gao, Tianlang Liu, Fei Liu, Hongbo R. Luo, Matthew K. Waldor*, Xiaoxue Wang*. Control of lysogeny and antiphage defense by a prophage-encoded kinase-phosphatase module. 2024, 15(1):7244. doi: 10.1038/s41467-024-51617-x.
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