近日,国际微生物生态学领域权威期刊《The ISME Journal》在线发表了上海交通大学生命科学技术学院、深部生命国际研究中心蹇华哗研究员带领的深海病毒研究组(DVRT)的研究成果“Unexplored diversity and ecological functions of transposable phages”。生命科学技术学院博士生张慕杰为论文的第一作者,蹇华哗研究员为通讯作者,肖湘教授为本课题研究提供了重要帮助。该研究同时得到了深部生命国际研究中心(IC-DLI)团队的支持。
噬菌体(phage)是侵染细菌的病毒,也是地球上数量最多的生物,发挥着重要的生态功能。其中,转座噬菌体(transposable phage, TBP)因其独特的转座复制的生活方式而备受关注。Mu是最经典的转座噬菌体,基因组长约38 kb, 当它整合到宿主基因组上并进入裂解循环时,Mu会启动“copy and paste”形式的转座复制,随机插入宿主基因组,造成宿主基因的缺失、反转或融合。Mu从宿主基因组上切离时会在两端各携带一部分宿主DNA片段并且能在染色体和质粒间转座,使得Mu成为普遍性转导噬菌体。虽然有研究陆续报道一些转座噬菌体的分离与鉴定,如D108, B3, BcepMu等,但我们对全球范围内转座噬菌体的数量、分布、种类、生态功能等仍无系统性认识。针对这一现状,该研究首先收集了所有已分离的转座噬菌体,通过蛋白序列和结构分析鉴定出6组marker蛋白,结合该研究组自主开发的大规模系统性整合位点预测流程,通过一系列严格的筛选和校正,构建了目前为止最大的转座噬菌体基因组数据集(TBPGD),包含9766个完整基因组边界和8683个完整蛋白边界的转座噬菌体基因组。
图1. (a) 转座噬菌体生活史;(b) 转座噬菌体全球分布
该研究发现转座噬菌体广泛分布于包括宿主相关、水体、土壤和沉积物等全球各类自然环境中。按照最新的病毒分类标准可将转座噬菌体分为至少3488种,132个属,11个亚科,表明转座噬菌体具有极高的多样性。宿主分析表明转座噬菌体的宿主范围极广,这些宿主广泛分布于14个细菌门中,并首次在Campylobacterota和Bacteroidota中发现转座噬菌体。宿主匹配分析相比于其他的有尾噬菌体,转座噬菌体跨宿主侵染能力更强。
图2. (a) 转座噬菌体宿主在不同细菌门中的分布;(b) 不同转座噬菌体类群AMG丰度
为了探究转座噬菌体的生态功能,该研究从有完整基因组边界的转座噬菌体中鉴定出413个辅助代谢基因(AMGs),它们参与宿主的碳代谢、氮代谢、能量代谢和物质转运等过程,其中碳代谢相关的基因最多。针对分离自深海沉积物的细菌Shewanella psychrophila WP2及其整合的转座噬菌体SP2的分析表明,转座噬菌体能影响深海细菌宿主的DNA复制转录、电子传递、群体感应、膜脂合成等重要生物过程。
图3. (a) 侵染深海细菌Shewanella psychrophila WP2的转座噬菌体SP2基因组;(b) 转录组揭示SP2对宿主菌多种基因表达的影响
该研究建立了转座噬菌体鉴定的新方法,揭示了转座噬菌体极高的多样性和重要的生态功能,极大拓展了我们对转座噬菌体这一重要病毒类群的分布、分类和生态功能的认知,为后续探索转座噬菌体的起源演化提供了良好的基础。
该研究得到了国家自然科学基金(42176095, 91851113, 41921006)、上海交通大学深蓝计划 ( SL2021PT201)、海南省科技计划三亚崖州湾科技城自然科学基金联合项目(2021JJLH0057)等项目的资助。
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