nature子刊|病毒与宿主微生物的“花式”互作！

news2024/11/17 5:26:30

期刊：nature microbiology

影响因子：28.3

发表时间：2023年5月

病毒是地球上最丰富多样的生命形式，存在于每一个环境中。深海中病毒与宿主的互作以及它们对生态系统的影响和功能尚不清楚。今天给大家来带哈弗大学研究团队发表在《Nature Microbiology》杂志上的一项新发现。深海病毒与宿主相互作用的多样性远超之前的想象，免疫可以跨越很远的系统发育距离，导致种群间共同建立更强的病毒抵御能力，该发现有助于更好地了解病毒和设计病毒疗法。

一、研究材料及现象

瓜伊马斯盆地南部深海喷口微生物垫中收集到的10个样本，发现细菌和古生菌对相同的病毒都有免疫力。

图1 采样地点

二、科学问题

古生菌和细菌如此不同，为什么会同时感染一种病毒呢?该问题促使研究者思考病毒与微生物相互作用的不同方式，而不仅仅是感染。

三、测序方法

宏基因组binning：得到宿主基因组的分类和注释；

宏病毒组：病毒scaffold预测，病毒基因组分类和注释；

Hi-C测序：辅助宏基因组组装，以及病毒宿主预测。

四、主要研究结果

1. 深海喷口微生物特征、病毒组特征

测序组装到303个中高质量的基因组（rep_mMAGs），主要以化学自养细菌和古菌为主，在代谢能力上它们相互依赖形成共生体，以便于利用深海中的甲烷。

样本中病毒多样性与微生物物种多样性高度相关。许多病毒基因组（rep_vMAGs）包含新的辅助代谢基因(AMGs)。在宿主-病毒军备竞赛中，部分病毒基因组编码防御机制。

2. 微生物CRISPR-Cas系统

303个rep_mMAGs中共检测到317个cas位点。在65个微生物种群中发现了116个独特的CRISPR重复，91%的CRISPR针对一个种群。研究观察到相同或相近的CRISPR重复序列在系统发育较远的种群中共享，可能是水平转移造成的。

3. 宿主-病毒相互作用

利用群体特异性CRISPR重复序列，挖掘宏基因组中独特的spacers，通过这些spacers确定了28个rep_vMAG和29个rep_mMAG之间的96个相互作用(图2A)。

图2 基于CRISPR spacer预测到的宿主-病毒相互作用

4. Hi-C测序辅助宿主预测

Hi-C测序发现36个rep_vMAG和241个rep_mMAG之间的859个链接，揭示了宿主和病毒之间潜在的互作网络。发现病毒可以与多个宿主相互作用，即病毒与具有相互依赖代谢的系统发育上遥远的生物共定位，这与基于CRISPR方法观察到的情况一致。

图3 Hi-C揭示rep_vMAG和rep_mMAG之间的互作网络

5. 全球范围内微生物域交叉病毒的分布

为了确定在较远的系统发育距离下宿主-病毒互作的情况，公共数据库中找到与细菌和古细菌CRISPR间隔序列都匹配的26种病毒。这些病毒都是在生物膜生态系统中发现的，并且代谢相互依赖。此外，许多匹配的CRISPR间隔区在已知或假设的共生群体中发现。推测这些跨越系统发育距离的宿主-病毒相互作用在自然界中更常见和更广泛。

表1 公共数据库中与细菌和古细菌CRISPR间隔序列匹配的病毒

6. 微生物垫基因的选择与多样化

计算病毒和微生物基因pN/pS比例，筛选到18个正在经历多样化选择的病毒基因，其中有3个基因参与了DNA和RNA的代谢。还筛选到几个正在多样性进化的管家蛋白，推测病毒在加速管家蛋白的进化方面发挥重要作用。

五、讨论

本研究发现病毒可能与系统发育上遥远的微生物发生相互作用，基于该现象，研究者提出四个模型：①病毒基因组进入病毒无法感染的细胞(即“非初级宿主”)；②病毒颗粒或基因组在微生物共生体之间进行转移，实现跨越远系统发育距离的接触转移。这两种情况将病毒基因组引入非原代宿主细胞将触发基于CRISPR的免疫应答。③④模型提出高密度生态系统(如微生物垫)可能是病毒宿主切换或扩展宿主范围的地点。

病毒和非主要宿主之间的这些相互作用具有广泛的生态和进化意义，可以促进微生物和病毒基因的多样化，增加适应性免疫的选择性优势。