有史以來最大噬菌體被發現了

【字體: 時間:2019年01月31日 來源:生物通

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  據加州大學伯克利分校的科學家們領導的一項最新研究顯示,在人體腸道中發現了一些所謂的最大噬菌體,它們周期性地破壞細菌,就像季節性流感爆發使人體處于低谷一樣。

  

病毒感染細菌,就像流感病毒感染人類一樣。

據加州大學伯克利分校的科學家們領導的一項最新研究顯示,在人體腸道中發現了一些所謂的最大噬菌體,它們周期性地破壞細菌,就像季節性流感爆發使人體處于低谷一樣。

這些“巨噬菌體”的基因組比普通噬菌體大10倍,比人類先前發現的任何噬菌體大兩倍,它們只存在于食用非西方、高纖維、低脂肪飲食人的腸道中。

它們也在狒狒和豬的內臟中被發現,這表明噬菌體——攜帶影響人類健康的基因——能夠在人和動物之間移動,可能傳播疾病。

“眾所周知,噬菌體攜帶引起疾病的基因和編碼抗生素抗性的基因,”創新基因組研究所的微生物學計劃領導者,加州大學伯克利分校地球和行星科學以及環境科學、政策和管理學教授Jill Banfield說。“巨噬菌體的運動及其宿主細菌的運動增加了疾病在動物和人類之間傳播的可能性,而且巨噬菌體的這種能力要大得多。”

由于大多數生物學家不認為巨噬菌體是“活的”,它比細菌這樣的生命體大,它們模糊了什么是“活的”和什么不是“活的”之間的區別。

“這些巨大的實體填補了我們所認為的非生命與生命之間的鴻溝,在某種意義上,它們被忽視了,”Banfield說。

Banfield和她的同事將這些發現發表在Nature Microbiology雜志上。

噬菌體和CRISPR

Banfield是宏基因組學測序的先驅,也就是說,同時對一個群落中所有生物體的所有基因進行測序。當她和她的同事們重建了群落中每種生物的基因組,她們經常會發現前所未有的微生物。通過對礦井徑流、間歇性噴泉、人體腸道和地下深處的微生物群落進行探索,宏基因組測序發現了如此多的新微生物,以至于生命之樹必須重新設計以適應這些微生物。

在這個過程中,她發現了噬菌體的許多基因。事實上,在一些細菌中發現的CRISPR簇是一個噬菌體基因組片段的儲存庫,細菌不斷地提醒以前的噬菌體感染,使它們能夠迅速抵御隨后的同一噬菌體感染。加州大學伯克利分校和維也納大學的科學家們將這些細菌動員來攻擊和切割病毒入侵者的Cas9蛋白改造成為一種強有力的工具CRISPR-CAS9,使生物學發生了革命性的變化,并使基因治療領域煥然一新。

在對孟加拉國人腸道細菌進行測序的同時,Banfield發現了這些巨噬菌體,這是由倫敦大學學院的合作者Joanne Santini領導的一項研究的一部分,旨在探索砷污染的水對腸道菌群的影響。她重新組裝了它們的整個基因組,她發現它們比在其他微生物群中遇到的噬菌體平均體型大10倍。為了適應這些噬菌體膨脹的基因組,它們的外包裝,稱為衣殼,比其他已知噬菌體的衣殼都要大,直徑可能在200到300納米之間。

他們還在一種細菌Prevotella中發現了一個CRISPR片段,這種細菌含有巨噬菌體DNA片段,表明巨噬菌體主要捕食Prevotella菌。Prevotella菌在吃西餐的人中并不常見,因為他們的飲食含有大量的肉、脂肪和糖,而且經測序,西餐飲食人群比非西餐和“狩獵-采集”型飲食者的腸道微生物種群小。


Prevotella copri菌主要寄宿于攝入高纖維、低脂肪飲食人群,是Lak噬菌體的捕獵目標

據合作者Joanne Santini介紹,Prevotella菌也與上呼吸道感染有關,并且在牙周病中很普遍。這意味著新的巨噬菌體可能為Prevotella菌引起的感染開發新的基于噬菌體的治療方法。

狩獵-采集型微生物群

根據發現所在地,孟加拉國laksam upazila地區,巨噬菌體被命名為“Lak噬菌體”。隨后,第一作者Audra Devoto在坦桑尼亞狩獵采集者Hadza部落成員的腸道微生物群中、肯尼亞的兩個不同狒狒社會群體中以及丹麥農場豬的腸道微生物群中,都發現了Lak噬菌體。

“與狒狒相比,豬體內的Lak噬菌體與人類的關系更為密切,因此這些噬菌體很可能在動物群中移動,”Banfield說。“我們懷疑Prevotella菌和Lak噬菌體是最近被狒狒獲得的,因為狒狒對它們的抵抗力很小,而且它們在其中分布很廣。”

眾所周知,噬菌體攜帶的基因會加重許多人類疾病。例如,它們可以攜帶編碼肉毒桿菌、霍亂和白喉毒素的基因,使感染這種細菌的人的癥狀更加惡化。Banfield的目標之一是觀察噬菌體和它們在腸道中捕食的細菌的數量如何隨著時間和飲食的變化而變化,以及這如何影響健康。

在對四個腸道微生物群進行取樣的人中,研究小組發現,隨著時間的推移,噬菌體和Prevotella菌的水平不斷變化,這表明一個持續的循環,在這個循環中,不斷上升的噬菌體數量減少了細菌數量,隨后,噬菌體數量下降,使Prevotella菌能夠反彈。

Banfield推測,巨噬菌體有更大的基因組,以產生必要的蛋白質,以防止細菌宿主干擾噬菌體的復制,獲得更多自己的副本,這一過程需要更長的時間,因為需要復制的基因組更大。

Banfield在創新基因組研究所的實驗室(創新基因組研究所是加州大學伯克利分校和加州大學舊金山分校聯合組建,倡議廣泛部署CRISPR-CAS9)正在通過其他宏基因組數據庫搜索巨噬菌體,并希望了解更多關于它們如何工作以及它們是否含有有趣和潛在有用的蛋白質。

“這些基因組中充滿了功能未知的蛋白質,可能參與迄今為止想象不到的生物過程。在新的基因組中許多新生物學知識有待發現,”Banfield說。

原文檢索:Megaphages infect Prevotella and variants are widespread in gut microbiomes

(生物通:伍松)

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