中国基因网您的位置:首页 >医学 >

巨大的食细菌病毒弥合了生命与非生命之间的鸿沟

科学家发现了数百种异常大的,能杀死细菌的病毒,它们通常具有与生物体相关的功能,从而模糊了生物体与病毒机器之间的界线。

巨大的食细菌病毒弥合了生命与非生命之间的鸿沟

这些噬菌体是噬菌体的缩写,所谓的噬菌体是因为它们“吞噬”细菌,具有一定的大小和复杂性,被认为是生命的典型特征,它们携带着细菌中通常发现的许多基因,并将这些基因用于细菌宿主。

加州大学伯克利分校的研究人员及其合作者通过搜寻庞大的DNA数据库来发现这些巨大的噬菌体,这些数据库是从近30种不同的地球环境中产生的,这些DNA从早产儿和孕妇的胆量到藏族温泉(南非)生物反应器,病房,海洋,湖泊和深层地下。

他们总共确定了351种不同的巨大噬菌体,它们的基因组比捕食单细胞细菌的病毒的平均基因组大四倍或更多倍。

其中有迄今为止最大的噬菌体:其基因组长 735,000个碱基对,比平均噬菌体大近15倍。这个最大的已知噬菌体基因组比许多细菌的基因组大得多。

加州大学伯克利分校地球与行星科学教授吉尔·班菲尔德(Jill Banfield)说:“我们正在探索地球的微生物群,有时会出现意想不到的事情。这些细菌病毒是生物学,复制实体的一部分,对此我们鲜为人知。”研究人员是环境科学,政策和管理学院的研究人员,也是有关该发现的论文的高级作者,该论文发表于2月12日的《自然》杂志上。“一方面,这些巨大的噬菌体弥合了无生命的噬菌体与细菌和古细菌之间的鸿沟。似乎存在着成功的生存策略,这些策略是我们认为是传统病毒和传统活生物体之间的杂交体。”

具有讽刺意味的是,在这些巨大的噬菌体所环绕的DNA中,是细菌用来对抗病毒的CRISPR系统的一部分。一旦这些噬菌体将其DNA注入细菌中,病毒CRISPR系统就会增强宿主细菌的CRISPR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·沙耶布说:“这些噬菌体如何重新利用我们认为是细菌或古细菌的系统,以使其自身受益于它们的竞争,促进这些病毒之间的战斗,这令人着迷。” Al-Shayeb和研究助理Rohan Sachdeva是《自然》杂志的共同第一作者。

新的Cas蛋白

一个巨大的噬菌体也能够使蛋白质类似于Cas9蛋白是革命性的工具CRISPR-Cas9是加州大学伯克利分校的詹妮弗·杜德纳和她的同事欧,艾曼纽夏邦杰,适用于基因编辑的一部分。研究小组将这种微小的蛋白质称为CasØ,因为希腊字母Ø或phi通常被用来表示噬菌体。

Sachdeva说:“在这些巨大的噬菌体中,寻找基因组工程新工具的潜力很大。” “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,医学或农业应用中新蛋白质的来源。”

除了为噬菌体和细菌之间的持续战争提供新的见解之外,新发现还对人类疾病产生影响。通常,病毒在细胞之间携带基因,包括赋予抗生素抗性的基因。而且由于噬菌体会在细菌和古生菌生活的任何地方(包括人类肠道微生物组)发生,因此它们可以将破坏性基因带入定居人类的细菌中。

班菲尔德说:“某些疾病是由噬菌体间接引起的,因为噬菌体会绕过与发病机制和抗生素抗性有关的基因。”班菲尔德说,他也是创新基因组学研究所(IGI)微生物研究的负责人。“基因组越大,围绕这些基因的移动能力就越大,并且能够将不良基因传递给人类微生物群中细菌的可能性就越高。”

测序地球生物群落

15多年来,Banfield一直在探索细菌的多样性,古细菌(她说是令人着迷的细菌近亲)和地球上不同环境中的噬菌体。她通过对样品中的所有DNA进行测序,然后将片段拼凑在一起,以组装草图基因组,或者在某些情况下,整合从未见过的微生物的完整基因组,从而做到了这一点。

在此过程中,她发现许多新微生物的基因组极小,似乎不足以维持独立生命。相反,它们似乎依赖其他细菌和古细菌生存。

一年前,她报告说,在我们的肠道和口中发现了一些最大的噬菌体(一个叫做Lak噬菌体),它们在那里捕食肠道和唾液微生物。

新的《自然》(Nature)论文是对班菲尔德(Banfield)积累的所有宏基因组序列中的巨大噬菌体进行了更彻底的搜索,再加上全球研究合作伙伴提供的新的元基因组。元基因组来自狒狒,猪,阿拉斯加麋鹿,土壤样本,海洋,河流,湖泊和地下水,其中包括饮用砷污染水的孟加拉国人。

该团队确定了351个噬菌体基因组,它们的长度超过200 KB,是平均噬菌体基因组长度50 KB的四倍。他们能够确定175个噬菌体基因组的确切长度。其他则可能大于200 kb。完整的基因组之一,长735,000个碱基对,现已成为已知的最大噬菌体基因组。

尽管这些巨大噬菌体中的大多数基因编码未知蛋白质,但研究人员仍能够鉴定出编码对该机制至关重要的蛋白质(称为核糖体)的基因,该蛋白质将信使RNA转化为蛋白质。这类基因通常不在细菌中发现,仅在细菌或古细菌中发现。

研究人员发现了许多用于转移RNA的基因,这些基因携带氨基酸到核糖体中并被整合到新蛋白质中。加载和调节tRNA的蛋白质的基因;开启翻译甚至是核糖体自身片段的蛋白质的基因。

Sachdeva说:“通常,将生命与非生命区分开来的是拥有核糖体和进行翻译的能力;这是区分病毒和细菌,非生命与生命的主要特征之一。” “一些大型噬菌体具有很多这种翻译机制,因此它们使这条线有些模糊。”

巨大的噬菌体可能使用这些基因来重定向核糖体,从而以细菌蛋白为代价,复制更多自身蛋白。一些巨大的噬菌体还具有其他的遗传密码,即编码特定氨基酸的核酸三联体,可能会混淆解码RNA的细菌核糖体。

此外,一些新发现的巨大噬菌体携带了在各种细菌CRISPR系统中发现的Cas蛋白变体的基因,例如Cas9,Cas12,CasX和CasY家族。CasØ是Cas12系列的变体。一些巨大的噬菌体也具有CRISPR阵列,这是细菌基因组中存储病毒DNA片段的区域,以备将来参考,从而使细菌能够识别返回的噬菌体,并动员其Cas蛋白靶向并切碎它们。

班菲尔德说:“高水平的结论是,具有大型基因组的噬菌体在地球的整个生态系统中都非常突出,它们并不是一个生态系统的独特之处。” “与具有大基因组的噬菌体相关,这意味着它们是具有悠久的大基因组历史的血统。拥有大基因组是一种成功的生存策略,而我们对此知之甚少。”

研究人员将351个巨噬细胞分为10个新的群体或进化枝,以论文的共同作者的语言中的“大”一词命名:Mahaphage(梵语),Kabirphage,Dakhmphage和Jabbarphage(阿拉伯语);巨噬噬菌体(日语);Biggiephage(澳大利亚),Whopperphage(美国);犹太人(中文),食人(法国); 和Kaempephage(丹麦)。

郑重声明:本文版权归原作者所有,转载文章仅为传播更多信息之目的,如有侵权行为,请第一时间联系我们修改或删除,多谢。