发表期刊：Microbiome
发表时间：2021年9月
影响因子：14.652
实验方法：宏基因组binning＆宏转录组＆蛋白质组
研究背景
深海热泉口生活的动物经常与化学合成细菌形成内共生关系，已有报道内共生菌具有重要的生化和生态功能，但决定其命运的噬菌体尚不清楚。深海蜗牛大量分布于1755米深的西南印度洋热液喷口区，本文利用宏基因组binning、宏转录组和蛋白质组探究深海蜗牛细胞内噬菌体-细菌的相互作用机制。
研究结果
噬菌体的基因组和基因表达
宏基因组Binning的方法，可以在自然环境样本中有效区分每个菌株基因组信息。Binning即是从微生物群体序列中将不同个体的序列（reads或contigs）分离开的过程。主要用于微生物组的两方面应用：关联分析和单菌组装。（详见凌恩生物：微生物组研究的花式“武功”——基于高通量测序的宏组学技术）
本文通过宏基因组binning，组装出4个噬菌体基因草图，CRISPR作图、基因组比较和转录组分析显示噬菌体 Bin1、Bin2 和 Bin4 感染了硫氧化细菌 (SOB) 和甲烷氧化细菌 (MOB)。蜗牛内共生体中有原噬菌体表达表明存在溶源性感染，而噬菌体结构蛋白和溶菌酶基因的表达表明存在活跃的裂解性感染。SOB 和 MOB 采用多种防御系统，如CRISPR-Cas 系统、先天性限制修饰系统以及诱导休眠的毒素-抗毒素系统。同样，为了对抗宿主防御，噬菌体 Bin1、Bin2 和 Bin3 也已经进化出抗限制机制并表达了可能抵消宿主限制活性的甲基转移酶基因。
图 宏基因组可视化确定4个噬菌体草图和2个内共生细菌
表 4个噬菌体草图信息
噬菌体-细菌的水平基因转移
通过系统进化树分析，发现硝酸还原酶β亚基(narH)和DNA甲基转移酶基因在MOB和噬菌体之间存在水平转移。转录组结果显示，在MOB感染过程中，噬菌体的narH、narG和DNA甲基转移酶基因均有表达，表明与硝酸盐还原和限制性修饰系统相关的基因可能被噬菌体Bin2利用。
图 噬菌体Bin2和MOB的narE系统进化树
图 噬菌体Bin2和MOBDNA甲基转移酶基因的系统进化树
内共生噬菌体的感染策略
使用多种软件在宏基因组数据中鉴定病毒序列，有两个contig序列被鉴定为不完全前噬菌体。转录组数据分析显示，噬菌体Bin2整合酶基因表达水平较高，由此推测溶源性是深海泉口蜗牛内共生噬菌体的一种感染策略。还发现了一些相对高表达的基因，它们编码病毒粒子的结构蛋白和用于细胞裂解的溶菌酶。据此，研究者们推测一些噬菌体Bin2种群进入裂解生命周期，而另一些则保持溶源生命周期，这与自发溶源到裂解切换的模型一致。
细菌防御系统与噬菌体抗防御系统的对决
在SOB和MOB中共检测到153个和102个抗病毒防御系统基因。同样，在组装的噬菌bins中，鉴定到了与细菌防御系统相关的基因，为了对抗宿主防御，噬菌体 Bin1、Bin2 和 Bin3 似乎已经进化出抗限制机制并表达了可能抵消宿主限制活性的甲基转移酶基因。
图 噬菌体Bin2和内共生体SOB和MOB的抗病毒防御系统
本研究通过宏基因组、转录组和蛋白质组学分析，揭示了深海热泉口蜗牛相关的内共生噬菌体与其宿主之前的竞争关系。在这场军备竞赛中，细菌编码了CRISPR-Cas和其他潜在功能防御系统，形成多个抗病毒细胞系。为了对抗这些防御，噬菌体也同样进化出了抗防御机制。
参考文献：
Arms race in a cell: genomic,transcriptomic, and proteomic insights intoin tracellular phage–bacteria interplay indeep-sea snail holobionts
DOI：https://doi.org/10.1186/s40168-021-01099-6
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