The ISME J:CRISPR序列幫助理解噬菌體-宿主相互作用的演變歷史

2020-12-12 生物谷

圖片來源：medicalxpress.com

2015年11月23日 訊 /生物谷BIOON/ --近日，一項刊登在國際雜誌The ISME Journal上的研究報告中，來自美國能源部聯合基因組研究所的研究人員利用來自北加州鐵山公司的宏基因組資料庫和專門的工具，在CRISPRs的幫助下成功地在生態系統研究中將宿主和噬菌體進行了連接。未經培養的微生物和其噬菌體之間的相互作用可以影響局部生態系統以及彼此的功能，而CRISPR序列可以幫助研究人員在宏基因組資料庫中將噬菌體和宿主連接起來，從而對其進行更好地分析。

微生物和噬菌體之間的相互作用影響著生態系統，然而鑑別噬菌體並且將其同宿主進行連接對研究人員從事生態學研究而言是一項巨大的挑戰；微生物在地球化學循環及環境演變過程中扮演者重要的角色，學習生態系統更多的多樣性並且理解相關的活動也是目前美國能源部的主要目的。

其中來自加利福尼亞大學的一種方法就包括觀察分析CRISPR位點，這種微生物免疫系統關鍵序列可以保護細菌免於病毒感染，研究者Banfield的研究小組通過尋找微生物宿主CRISPR的間隔序列，同時將其同感染性的噬菌體相連接起來；文章中研究人員利用序列資料庫評估了微生物群落中遺傳多樣性和群體歷史的相關情況。

本文研究中，研究者依賴於過去5年收集的宏基因組資料庫中的數據，同時他們利用開發的工具分析了資料庫中的CRISPR序列，需要特別指出的是，研究者在資料庫中鑑別出了鉤端螺菌屬細菌的CRISPR的間隔區序列，並且檢測了隨著時間延續這種細菌遇到噬菌體的範圍；同時研究者還在資料庫中發現了2個不同的CRISPR系統，他們指出，對CRISPR位點進行群體水平的分析可以幫助深入理解噬菌體-宿主相互作用的動力學關係，同時也可以幫助闡明細菌在自然系統中最近的歷史演變。（生物谷Bioon.com）

本文系生物谷原創編譯整理，歡迎轉載！轉載請註明來源並附原文連結。更多資訊請下載生物谷APP.

Metagenomic reconstructions of bacterial CRISPR loci constrain population histories

Christine L Sun, Brian C Thomas, Rodolphe Barrangou and Jillian F Banfield

Bacterial CRISPR-Cas systems provide insight into recent population history because they rapidly incorporate, in a unidirectional manner, short fragments (spacers) from coexisting infective virus populations into host chromosomes. Immunity is achieved by sequence identity between transcripts of spacers and their targets. Here, we used metagenomics to study the stability and dynamics of the type I-E CRISPR-Cas locus of Leptospirillum group II bacteria in biofilms sampled over 5 years from an acid mine drainage (AMD) system. Despite recovery of 452 686 spacers from CRISPR amplicons and metagenomic data, rarefaction curves of spacers show no saturation. The vast repertoire of spacers is attributed to phage/plasmid population diversity and retention of old spacers, despite rapid evolution of the targeted phage/plasmid genome regions (proto-spacers). The oldest spacers (spacers found at the trailer end) are conserved for at least 5 years, and 12% of these retain perfect or near-perfect matches to proto-spacer targets. The majority of proto-spacer regions contain an AAG proto-spacer adjacent motif (PAM). Spacers throughout the locus target the same phage population (AMDV1), but there are blocks of consecutive spacers without AMDV1 target sequences. Results suggest long-term coexistence of Leptospirillum with AMDV1 and periods when AMDV1 was less dominant. Metagenomics can be applied to millions of cells in a single sample to provide an extremely large spacer inventory, allow identification of phage/plasmids and enable analysis of previous phage/plasmid exposure. Thus, this approach can provide insights into prior bacterial environment and genetic interplay between hosts and their viruses.

相關焦點

  • Cell子刊發布人體腸道病毒基因組:一份全新噬菌體基線資料庫
    但是，對於它們如何與人類腸道中的細菌相互作用，科學家們還知道得不是很多。 更重要的一點是，病毒宏基因組學方法存在許多明顯的瑕疵，它阻礙了我們對噬菌體群落的進一步認知。比如： 難以區分真正的病毒序列和細菌DNA汙染、DNA擴增偏差；現有病毒資料庫不足，無法分類分配大多數序列（「病毒暗物質」）；以及缺乏噬菌體宿主範圍和感染周期類型的信息。 迄今為止，大多數有價值的研究都是跨學科的，它們雖然非常重要，但基本只為科學家提供了病毒群落的驚鴻一瞥。
  • Cell:系統性構建出病毒與人類宿主之間的蛋白-蛋白相互作用圖譜
    2019年9月7日訊/生物谷BIOON/---在一項新的研究中，來自美國哥倫比亞大學的研究人員利用一種計算方法繪製出所有已知感染人類的病毒與它們感染的宿主細胞之間的蛋白-蛋白相互作用圖譜。這種方法及其產生的數據已給出了大量關於病毒如何操縱它們感染的宿主細胞和引起疾病的信息。
  • 基於擴增子與GeoChip 5.0 聯合分析的噬菌體與原核微生物群落研究
    厭氧沼氣池由於容易獲取，操作穩定，具有營養豐富的環境，含有大量的噬菌體和原核細胞，因此被認為是測定噬菌體與宿主相互作用的理想模式系統。對採集的樣品進行物理化學檢測，包括Fe、Cu、Cr、SO42-、Cl-、NH4+-N和pH及過程性能指標TS、VS和COD；提取DNA，基於MiSeq平臺進行16S rDNA V4區測序，並用包涵455種噬菌體探針的Geochip 5.0探測噬菌體基因。然後對獲得的序列信息進行一系列的分析。
  • 基於可變基因在冰塵洞中構建噬菌體泛基因組
    該研究發現在分散的水生態系統中的噬菌體基因組存在高度相似的核心區域，同時存在靈活多變的基因模塊，並且可通過同源基因交換來產生變異的噬菌體，這一結果有助於噬菌體瓦解宿主的防禦系統！一起來欣賞一下這篇影響因子12.121的高分精彩文章。
  • 科學家發現迄今為止最大噬菌體 基因組是普通噬菌體的15倍
    這些噬菌體因「吃」細菌而得名，其大小和複雜性被認為是生命的典型特徵，它們攜帶著許多通常在細菌中發現的基因，並利用這些基因來對付它們的細菌宿主。很有可能，一旦這些噬菌體將它們的DNA注入細菌，病毒的CRISPR系統就會增強宿主細菌的CRISPR系統，可能主要是針對其他病毒。 加州大學伯克利分校的研究生Basem Al-Shayeb說:「這些噬菌體如何重新利用我們認為是細菌或古細菌的系統，以使其自身受益於它們的競爭，促進這些病毒之間的戰鬥，這令人著迷。」
  • 噬菌體效價的測定(雙層瓊脂培養法)——萬融實驗
    一、目的要求學習噬菌體效價測定的基本方法。二、基本原理在宿主細菌生長的固體瓊脂平板上，噬菌體可裂解細菌而形成透明的空斑，稱噬菌體斑，一個噬菌體產生一個噬菌斑，利用這一現象可將分離到的噬菌體進行純化與測定噬菌體的效價。噬菌體的效價就是1ml培養液中所含活噬菌體的數量。效價測定的方法，一般應用雙層瓊脂平板法。
  • 能降服CRISPR–Cas系統的anti-CRISPR蛋白
    該系統通過將入侵噬菌體和質粒DNA片段整合到CRISPR區，並利用相應的CRISPR RNAs (crRNAs)來指導同源序列的降解，從而提供免疫性。2013年1月，美國兩個實驗室在《Science》雜誌上發表了基於CRISPR-Cas9技術在細胞系中進行基因敲除的新方法。與以往不同的是，這種方法是利用靶點特異性的RNA將Cas9核酸酶引到基因組上的具體靶點，從而對特定基因位點進行切割導致突變。
  • Science:炎症促進噬菌體在沙門氏菌之間轉移
    它優雅地證實了炎症對腸道中的噬菌體活性的影響。」英國羅伯-金斯利食品研究所研究員Rob Kingsley（也未參與這項研究）回應道，「這是一篇非常高質量的論文。它首次證實在病原菌進化中發揮著非常重要作用的噬菌體轉移是由感染期間這種病原菌本身的作用觸發的。」一些噬菌體馬上殺死它們的宿主。其他的噬菌體長期地停留在宿主內。
  • 噬菌體治療的前世、今生與未來
    據原大連生物製品研究所陳廷祚先生記載, 由於當時抗生素和抗菌藥物都在西方國家對社會主義國家的禁運之列, 大連生物製品所自1949年起在蘇聯專家的幫助下開始研製和生產痢疾噬菌體, 主要針對志賀痢疾桿菌和福氏痢疾桿菌, 這些噬菌體製劑在全國各地被廣泛使用, 尤其是在抗美援朝戰爭和國內大型水利工程建設中發揮了積極的作用。
  • CRISPR基因編輯系統為生物技術領域提供無限可能
    早在1987年，一支日本團隊（石野良純教授為第一作者）就已發表論文，表明大腸桿菌裡也有類似的序列。不少科學家認為，這是人類首次知道CRISPR序列的存在。然而，這支日本團隊當時並沒有對CRISPR序列進行詳細的研究，因此它的功能還不為人所知曉。
  • CRISPR的諾獎是否發早了?Cell論文揭示細菌的另一種防禦系統,具有基因編輯潛力
    實際上，就像CRISPR一樣，反轉錄子也是細菌免疫系統的一部分——保護細菌免受一種被稱作「噬菌體」的病毒的攻擊。反轉錄子的組成在這項研究中，研究團隊首次具體證實了反轉錄子作為抗噬菌體防禦系統的功能。簡而言之，如果細菌細胞壁等構造是第一道防線，那麼反轉錄子 Ec48 則形成了第二道防線。當第一道防線崩潰時，則會觸發第二道防線。
  • (從分子生物學視角看CRISPR-Cas9技術敲除人CCR5基因)
    「磚頭」便是細菌的「小本本」，「橡皮筋」便是它記下的「仇」，這樣連起來就有點像CRISPR序列了。       讓我們不妨講的更專業一些：每當細菌感染了新的噬菌體，CRISPR序列（磚頭）便會捕獲游離在胞漿中的噬菌體DNA片段（橡皮筋）並整合在其間，由此便形成了由噬菌體DNA片段（單鏈）和短回文DNA序列（雙鏈）交替出現的完整CRISPR位點。       那麼細菌用小本本把噬菌體的DNA片段記下來之後，還是沒消氣怎麼辦呢？
  • Nature:從地球不同環境中發現351種新的巨大噬菌體,它們模糊了病毒...
    這些病毒被稱為噬菌體，這是因為它們吞噬細菌---細菌的大小和複雜性被認為是生命的典型特徵。它們攜帶著通常在細菌中發現的許多基因，並使用這些基因抵抗它們的細菌宿主。很有可能發生的情形是，一旦這些噬菌體將它們的DNA注入細菌，這種病毒CRISPR系統就會增強宿主細菌的CRISPR系統，很可能主要是讓細菌CRISPR系統靶向其他病毒。Al-Shayeb說，「令人著迷的是，這些噬菌體如何重新利用一種我們認為是屬於細菌或古生菌的系統，以使得它們自身受益於它們與噬菌體的競爭，從而觸發了不同病毒之間的戰爭。」
  • 為了完成複製,通過轉導將P1克隆轉移入細菌宿主菌株
    為了完成複製，通過轉導將P1克隆轉移入細菌宿主菌株，它在體內保持穩定。圖5-1 pAd10sacBII 簡圖，一種P1噬菌體載體。環狀載體的左側含有兩個loxP位點、一個DNA複製質粒起始位點、一個包裝進入P1顆粒的最小信號序列(pac), 以及一個來源於腺病毒DNA的填充片段。
  • Nature、Science和Cell三大期刊CRISPR技術重大發現
    CRISPR是規律間隔性成簇短回文重複序列的簡稱，Cas是CRISPR相關蛋白的簡稱。CRISPR/Cas最初是在細菌體內發現的，是細菌用來識別和摧毀抗噬菌體和其他病原體入侵的防禦系統。每個CRISPR含有多個長24-48bp的重複序列，而這些重複序列之間被間隔序列(spacer DNA)分隔開，每個間隔序列大約長26~72 bp。
  • Cell最牛解析:揭秘CRISPR「中心法則」,一圖了解CRISPR系統作用全...
    2007年，來自丹尼斯克公司（一家總部位於丹麥哥本哈根的食品添加劑公司，目前被杜邦公司收購）的科學家找到了一種能增強細菌防禦噬菌體能力的方法。之後2013年，四個研究團隊報告了這一被稱為CRISPR的系統，自此CRISPR技術紅紅火火的發展了起來，許多科研團隊利用它來刪除、添加、激活或抑制人體、老鼠、斑馬魚、細菌、果蠅、酵母、線蟲和農作物細胞中的目標基因。