今天分享一篇本月初發表在Nature Communications上的研究——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。
Flexible genes establish widespread bacteriophage pan-genomes in cryoconite hole ecosystems
基於可變基因在冰塵洞中構建噬菌體泛基因組
作者：Christopher M. Bellas 等
期刊：Nature Communications
時間：2020.09.02
影響因子：12.121
DOI：10.1038/s41467-020-18236-8
一、文章摘要
噬菌體基因組通過突變和基因水平轉移實現快速進化，從而抵抗宿主細胞不斷發展的防禦系統。噬菌體與宿主之間在進化水平上按軍備競賽理論會導致互相獨立的生態系統中的噬菌體基因組間產生顯著差異，但在研究中卻發現在距離上相隔甚遠的生態系統中出現幾乎相同的噬菌體基因組。本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。通過從不同地點樣本的宏基因組數據構建噬菌體基因組的核心區域和可變區域，發現各位置上的優勢可變基因是不同的。以上結果表明重組是噬菌體多樣性的最大影響因素，有助於噬菌體瓦解宿主的防禦系統。
二、主要內容
1.相似度極高的噬菌體基因組
本研究採集了斯瓦爾巴群島、格陵蘭島和阿爾卑斯冰塵樣本的宏基因組數據，結合671個病毒基因組集用於分析和鑑定廣泛分布的噬菌體。通過將宏基因組數據比對到病毒基因組進行噬菌體鑑定，發現同時存在兩個或兩個以上地點的噬菌體有257種，其中同時存在三個地點的噬菌體有50種（圖1.a）。宏基因組島（MGI）是指噬菌體基因組中存在難以或無法與環境宏基因組數據匹配的區域，以上鑑定到的噬菌體則是本研究的MGI數據集的來源。
圖1.冰塵病毒鑑定和MGI。a：各地點噬菌體數量韋恩圖；b：各地點基因組大於15kb的噬菌體數量示意圖；c：冰塵洞示意圖；d：MGI長度分布圖；e：MGI分布熱圖。
2.MGI存在於多數噬菌體基因組中
本研究在噬菌體基因組中共檢測2612個MGI，平均長度為448bp（圖1.d），其中超過82%的噬菌體基因組中含有MGI。利用各地點的宏基因組數據與噬菌體基因組進行比對發現MGI通常出現在同樣的基因區域中（圖2），如利用擬桿菌噬菌體（76kb）作為參考序列與各地點的宏基因組數據比對時發現MGI區域位於同源基因的高度差異區域。而基因注釋結果表明最常出現MGI的基因與DNA甲基轉移酶（MTase）、限制性核酸內切酶和轉座酶相關，其中MTase可保護噬菌體免受不同的宿主防禦系統的攻擊。
大部分帶功能注釋的MGI基因（19%）與宿主識別和入侵相關，如受體結合蛋白、多糖解聚酶和與病毒相關的細胞溶素，說明噬菌體可通過識別多種胞外多糖和表面受體來感染宿主。其次帶MGI的基因多與DNA複製和修復相關，特別是DNA聚合酶和核糖核苷酸還原酶，而與DNA包裝相關的末端酶基因也常出現MGI，但具體機制仍未清楚。
同時，作者對同一位置的海洋噬菌體進行相同的分析，發現研究的結果與冰塵洞噬菌體的不一致，推測是樣本數量差異導致分析結果差異。
圖2.噬菌體基因組重建和MGI分析。
3.宏基因組數據揭示多種基因變異共同存在
針對單一的MGI區域，在每個地點的宏基因組數據中存在最多5個變異體（圖3），說明各地點樣本含有豐富多樣的MGI變異體，這意味著對於MGI來說噬菌體之間的關係是複雜混亂的。而在高度同源的噬菌體基因組中，MGI之間的相似度可低至40%，這種情況在過往的一項針對單個乳製品的乳酸菌噬菌體研究中也出現，同時本研究推測重組對於核苷酸變異的影響因素遠大於基因突變。
圖3.其中10個MGI區域的宏基因組數據統計分析。
三、總結
在本研究中鑑定到的噬菌體之間的距離非常遙遠但其基因組相似度極高，幾乎達到90%以上，但是在基因組的部分區域卻高度可變。目前分析重組造成了噬菌體基因區域可變的現象，同時也促進了噬菌體的多樣性。
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