Nature：从地球不同环境中发现351种新的巨大噬菌体

2020年2月15日讯/BIOON/---在一项新的研究中，来自美国加州大学伯克利分校、科罗拉多州立大学、斯坦福大学、美国能源部联合基因组研究所、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、英国伦敦大学学院、澳大利亚墨尔本大学、丹麦技术大学、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、能杀死细菌的病毒，它们通常具有与活的有机体相关的功能，这模糊了活的与病毒之间的界线。相关研究结果于2020年2月12日在线发表在Nature期刊上，论文标题为“Clades of huge phages from across Earth’s ecosystems”。论文通讯作者为加州大学伯克利分校的Jill Banfield教授。论文第一作者为加州大学伯克利分校研究生Basem Al-Shayeb和研究助理Rohan Sachdeva。

图片来自Nature, 2020, doi:10.1038/s41586-020-2007-4。 这些病毒被称为噬菌体，这是因为它们吞噬细菌---细菌的大小和复杂性被认为是生命的典型特征。它们携带着通常在细菌中发现的许多基因，并使用这些基因抵抗它们的宿主。

这些研究人员通过搜索庞大的DNA数据库来发现这些巨大噬菌体（huge phage，也称为megaphage），这些DNA数据库是从将近30种不同的地球环境---从早产儿和孕妇的肠道到西藏温泉、病房、海洋、湖泊和深层地下---中产生的。他们总共鉴定出351种不同的巨大噬菌体，它们的基因组比吞噬单细胞细菌的病毒的平均基因组大4倍或更多倍。在它们当中，存在迄今为止发现的一种最大的噬菌体：它的基因组长735000个碱基（即735kb），比噬菌体的平均基因组大近15倍。这个已知最大的噬菌体基因组比许多的基因组大得多。

Banfield说，“我们正在探索地球的微生物组，有时会出现意想不到的事情。一方面，这些巨大噬菌体弥合了无生命的噬菌体与细菌和古之间的鸿沟。似乎确实存在一种成功的生存策略：它们被我们认为是传统病毒和传统生物体之间的杂交体。”

具有讽刺意味的是，在这些巨大噬菌体所携带的DNA中，存在细菌用来对抗病毒的CRISPR系统的一部分。很有可能发生的情形是，一旦这些噬菌体将它们的DNA注入细菌，这种病毒CRISPR系统就会增强宿主的CRISPR系统，很可能主要是让细菌CRISPR系统靶向其他病毒。

Al-Shayeb说，“令人着迷的是，这些噬菌体如何重新利用一种我们认为是属于细菌或古的系统，以使得它们自身受益于它们与噬菌体的竞争，从而触发了不同病毒之间的战争。”

新的Cas蛋白

这些巨大噬菌体中的一种也能够制造一种类似于Cas9蛋白的蛋白，Cas9是由加州大学伯克利分校的Jennifer Doudna和她的欧洲同事Emmanuelle Charpentier改进的用于基因编辑的革命性工具CRISPR-Cas9的一部分。这些研究人员将这种微小的蛋白称为Cas ，这是因为希腊字母 或phi通常被用来表示噬菌体。

Sachdeva说，“在这些巨大噬菌体中，寻找用于基因组工程的新工具的潜力很大。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的来源。”

除了为噬菌体和之间的持续战争提供新的见解之外，这些新的发现还对人类疾病产生影响。通常，病毒在细胞之间传递基因，包括赋予抗性的基因。鉴于噬菌体存在于细菌和古生菌生活的任何地方，包括人类肠道微生物组，因此它们可以将有害的基因带入定植在人体内的中。

Banfield说，“某些疾病是由噬菌体间接引起的，这是因为噬菌体会传递与发病机理和抗性有关的基因。噬菌体基因组越大，传递这些基因的能力就越大，并且将不需要的基因传递给人体微生物组中的可能性就越高。”

对地球生物群落进行测序

15多年来，Banfield一直在探索地球上不同环境中的细菌、古生菌和噬菌体的多样性。她的方法就是对样本中的所有DNA进行测序，然后将测序出的所有序列片段拼凑在一起，以组装出基因组草图，或者在某些情况下，将从未见过的微生物的基因组完全整理好。在这个过程中，她发现许多新的微生物具有极小基因组，似乎不足以维持独立的生活。相反，它们似乎依赖其他细菌和古才能生存下来。

一年前，她已报道一些最大的噬菌体，即一群她称为Lak的噬菌体，可以在我们的肠道和口腔中找到，在那里，它们吞噬肠道和唾液中的细菌。

这篇新的论文是对Banfield积累的所有宏基因组序列以及全球研究合作者提供的新的宏基因组中的巨大噬菌体进行了更彻底的搜索。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（包括孟加拉国人一直饮用的被砷污染的地下水）。

这些研究人员鉴定出351个巨大噬菌体基因组的长度超过200kb，是平均噬菌体基因组长度50 kb的四倍。他们能够确定175个巨大噬菌体基因组的确切长度，剩下的巨大噬菌体基因组的长度可能大于200kb。其中的一个完整的巨大噬菌体基因组长度为735kb，如今是已知最大的噬菌体基因组。