上海交大蹇华哗研究组揭示全球转座噬菌体多样性及生态功能
发布时间 :2023-04-19  阅读次数 :3232

    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。

 

全文链接:https://doi.org/10.1038/s41396-023-01414-z