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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2021-02-19 00:12

本文摘要:在一项新的研究中,来自加州大学伯克利分校、科罗拉多州立大学、斯坦福大学、美国能源部领导的基因组研究所、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、伦敦大学学院、澳大利亚墨尔本大学、数据传输单位、日本原子能机构和加拿大多伦多大学的研究人员发现了数百种异常大的能够杀死细菌的病毒。一般来说,它们具有与生物相关的功能,这一点是模糊的。相关的研究结果发表在2020年2月12日的《自然》杂志上,论文的标题是“来自麦克罗斯尔斯秒系统的克拉代索弗噬菌体”。

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在一项新的研究中,来自加州大学伯克利分校、科罗拉多州立大学、斯坦福大学、美国能源部领导的基因组研究所、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、伦敦大学学院、澳大利亚墨尔本大学、数据传输单位、日本原子能机构和加拿大多伦多大学的研究人员发现了数百种异常大的能够杀死细菌的病毒。一般来说,它们具有与生物相关的功能,这一点是模糊的。相关的研究结果发表在2020年2月12日的《自然》杂志上,论文的标题是“来自麦克罗斯尔斯秒系统的克拉代索弗噬菌体”。本文的通讯作者是加州大学伯克利分校的吉尔本菲尔德教授。

这篇论文的第一作者是加州大学伯克利分校的研究生basmal-Shayeb和研究助理RohanSachdeva。这些病毒被称为噬菌体,因为它们破坏细菌——细菌的大小和复杂性被指出是生命的典型特征。它们装载了许多通常在细菌中发现的基因,并用于这些基因抵抗它们的细菌宿主中。这些研究人员搜索了大量的DNA数据库,找到了这些巨大的噬菌体,它们产生于近30种不同的地球环境,从早产儿和孕妇的肠道到西藏的温泉、病房、海洋、湖泊和地下深处。

他们总共检测到351种不同的超大噬菌体,它们的基因组比破坏单细胞细菌的病毒的平均基因组大4倍或更多。其中没有仅次于目前发现的噬菌体:其基因长度为73.5万个碱基(即735kb),比噬菌体平均基因组大近15倍。

这个未知的噬菌体基因组比许多细菌的基因组小得多。班菲尔德说:“我们在探索地球的微生物群落,有时候意想不到的事情并不经常发生。

一方面,这些巨大的噬菌体架起了无生命的噬菌体与细菌和古细菌之间的桥梁。也许显然没有平稳的生存策略:他们被我们指出是传统病毒和传统生物的混血儿。

”具有讽刺意味的是,在这些极其巨大的噬菌体携带的DNA中,细菌用来对抗病毒的CRISPR系统没有一部分。很可能再次发生这些噬菌体一旦将其DNA流过细菌,这种病毒的CRISPR系统不会加强宿主细菌的CRISPR系统,很可能细菌的CRISPR系统主要针对其他病毒。

Al-Shayeb说,“令人着迷的是,这些噬菌体如何新利用我们指出属于细菌或古细菌的系统,使它们从与噬菌体的竞争中获益,从而引发不同病毒之间的战争。”新的Cas蛋白,这些超大噬菌体之一,也需要产生一种类似于Cas9蛋白的蛋白,这是CRISPR-Cas9的一部分,CRISPR-Cas9是一种革命性的基因编辑工具,由加州大学伯克利分校的JenniferDoudna和她的欧洲同事EmmanuelleCharpentier改进。

这些研究人员称这种微小的蛋白质为Cas?这是因为希腊字母吗?或者phi一般用于回应噬菌体。Sachdeva说,“在这些巨大的噬菌体中,发现基因组工程新工具的潜力很大。我们发现的许多基因是未知的。

它们没有假定的功能,可能是工业、医学或农业中使用的新蛋白质的来源。”除了获得噬菌体和细菌之间正在进行的战争的新见解,这些新发现还对人类疾病产生了影响。

一般来说,病毒在细胞之间传递基因,包括表现出抗生素抗性的基因。噬菌体不存在于细菌和古细菌生活的任何地方,但也包括人体肠道微生物区系,因此它们可以将有害基因带入在人体内定植的细菌。

班菲尔德说:“有些疾病是由噬菌体间接引起的,因为噬菌体不传递与攻击机制和抗生素抗性有关的基因。噬菌体基因组越大,传递这些基因的能力就越大,就越有可能将不必要的基因传递给人类微生物群中的细菌。

”15年多来,班菲尔德仍在探索地球上不同环境下细菌、古细菌和噬菌体的多样性。她的方法是将样本中的所有DNA进行测序,然后将所有测序好的片段重新组装成一个基因组草图,或者在某些情况下,几乎是将以前从未见过的微生物基因组整理出来。

在这个过程中,她发现了许多新的微生物,它们的基因组比独立国家的大。忽略,它们可能依赖其他细菌和古细菌生存。一年前,她报告说,在我们的肠道和口腔中可以发现一些仅次于其他噬菌体的噬菌体,她称之为Lak的一组噬菌体,它们在肠道和唾液中破坏细菌。

这篇新论文是对班菲尔德积累的所有宏基因组序列和全球研究伙伴获得的新宏基因组中的巨型噬菌体的更完整的搜索。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(包括孟加拉人仍然饮用的砷污染地下水)。这些研究人员发现,有351个非常大的噬菌体基因组,长度高达200kb,是50kb噬菌体基因组平均长度的四倍。

他们需要确认175个超大噬菌体基因组的清晰长度,剩下的超大噬菌体基因组长度可能小于200kb。其中一个原始的超大噬菌体基因组长度为735kb,是目前未知的第二大噬菌体基因组。尽管这些非常大的噬菌体中的大多数基因编码未知的蛋白质,但这些研究人员仍然需要测试编码对核糖体重要的蛋白质的基因。在细胞中,核糖体是将信使核糖核酸转化为蛋白质的蛋白质生产工厂。

核糖体主要由核糖体RNA(rRNA)和蛋白质(也称核糖体蛋白质)组成。一般来说,这些基因不存在于病毒中,只存在于细菌或古细菌中。

这些研究人员在这些超大的噬菌体中发现了许多编码转移RNA(tRNA)的基因,tRNA将氨基酸装载到核糖体中,将装载的氨基酸整合到新的蛋白质中。编码阅读和调节tRNA的蛋白质的基因;编码启动翻译的蛋白质的基因,甚至核糖体本身的一部分(称为rRNA或核糖体蛋白质)。

Sachdeva说:“一般来说,区分生命和非生命的是享受核糖体和扩大翻译的能力;这是区分病毒与细菌、无生命和有生命的东西的主要特征之一。一些大型噬菌体有许多这样的翻译复合体(即核糖体),因此它们使这条分界线有些模糊。

”巨噬细胞可能在这些基因中被用来改变核糖体的方向,这样它们就可以更好地产生自己的蛋白质,而代价是细菌蛋白质的产生。一些非常大的噬菌体也有备选的遗传密码,即编码特定氨基酸的核酸三联体,可能会误解细菌核糖体解码RNA。一些非常大的噬菌体也有可供选择的遗传密码,即核酸三联体编码一种特定的氨基酸,这可能会欺骗翻译成mRNA的细菌核糖体。

此外,一些新发现的巨噬细胞装载了许多细菌CRISPR系统中发现的Cas蛋白变体的编码基因,如Cas9、Cas12、CasX和CasY家族。Cas?是Cas12家族的变种。

一些非常大的噬菌体也有CRISPR阵列。一般来说,它们是细菌基因组中储存病毒DNA片段的区域。储存的病毒DNA片段被用作参考序列,这使得细菌需要识别再次入侵的相同噬菌体,并动员其Cas蛋白再次靶向并切入入侵的噬菌体。


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