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细菌抗病毒防御系统的储备

作者:Sébastien Levesque &Sylvain Moineau来源:Nature

对付病毒绝非易事。细菌通过进化出复杂的防御策略, 在被称为噬菌体的病毒攻击下幸存下来,使它们即使在富含病毒的生态系统中也能茁壮成长。

然而,噬菌体进化出了对付这种机制的反策略,导致新的生物军备竞赛。

现在Doron等人在细菌中发现了以前未知的抗病毒系统。

抗噬菌体系统通常是靶向病毒复制的关键步骤。例如,一些系统防止噬菌体与细菌细胞结合,而另一些系统阻止病毒基因组进入细胞。

某些细菌蛋白可以阻止细胞内的噬菌体复制。虽然这常常导致感染细胞死亡,但它可以保护邻近细胞免受感染。

也许最著名的抗噬菌体的系统是限制性酶和CRISPR–CAS。

这两个系统可以以特异序列的方式切割非宿主DNA,并且做为分子工具,已经被广泛地应用于生物科学中。

以前的计算分析表明,防御基因聚集在细菌基因组中的特定区域,称为防御岛。

Doron等人知道这些区域也包含许多功能未知的基因家族。

研究人员分析了45000多个微生物基因组,以发现在防御岛中经常出现的基因。

为了分析,他们将编码的蛋白质分组到共享特定结构域的族中。

Doron和同事分析了14083个蛋白质家族类,并专注于那些至少65%的编码基因位于已知的防御系统的类。

然后,这些基因被用作“锚”来研究相邻基因,因为防御基因常常被发现是一系列在同一防御过程中、共同作用的连续基因的一部分。

研究人员指出了335个感兴趣的家庭。经过进一步的研究,以识别在多个基因组和广泛分布的微生物中进化保守的基因簇,他们选择了28个这样的簇进行功能测试。

他们在两种细菌中,枯草芽孢杆菌和大肠杆菌,表达基因。

在枯草芽孢杆菌中,所选择的基因整合到基因组中,而在大肠杆菌中,它们被加工成圆形质粒DNA。

细菌的抗病毒系统识别

细菌的抗病毒系统识别


在26个候选防御系统样板中,这些细菌成功地表达了至少一个例子,并由RNA测序所验证。

他们还表达了六种已知的防御系统作为对照。然后将这些细菌暴露在一系列噬菌体中,噬菌体属于已知的四种不同噬菌体家族。

值得注意的是,26个系统中的九个提供至少针对一种噬菌体的保护。

这些防御系统包含多达五个基因。

一个系统存在于3%的被分析的细菌基因组中,另一个发现在4%被研究的微生物中。

部分选育者无抗噬菌体活性。这并不奇怪,因为它们在特定的实验室条件下进行测试,并且在不正常表达这些基因的宿主中表达:防御机制通常仅对特定噬菌体组有效。

事实上,作为对照的六种已知防御系统中,只有三种在实验中提供了对噬菌体的保护。

研究人员推测,一些防御系统已确定可能专门抵御质粒的引进。

在一个测试质粒导入到枯草芽孢杆菌中的效率的实验中,他们发现一个防御系统的存在大大降低了质粒导入的水平。

总之,在各种微生物中,研究人员确定了十个防御系统(九抗病毒和一个抗质粒)。

Doron和他的同事们提出,以一些细菌蛋白质中存在的特定领域为基础,一些防御机制有不同的行动模式。

例如,一种蛋白质具有TIR域。该结构域是哺乳动物、植物和无脊椎动物先天免疫系统的重要组成部分,它在响应于感染性病原体的识别而激活的信号通路中起作用。

然而,需要深入的机理研究,看看这些新发现的防御系统如何发挥作用的。

发现这种隐藏的抗噬菌体武器储备是令人兴奋的,应强调的事实是,完整的细菌防御系统阵列仍然是未知的。

Doron和同事的实验,甚至可能因为他们采用的技术方法,而错过了一些防御系统。

例如,一些测试的基因组可能与所使用的模型细菌不相容,或者可能仅对未经测试的噬菌体提供保护。

事实上,最近发现的海洋病毒的主要谱系提醒我们,我们的病毒库存不断扩大。

研究人员有说服力地证明了一个有效的计算方法用来发现细菌防御系统。

在一个给定的细菌中存在多种这样的机制,使微生物对病毒感染具有强大的防护作用,因此调查防御岛的决定是明智的。

噬菌体和细菌之间的战斗永无止境,学习噬菌体如何进化到中和或规避这些新揭露的武器也将是十分有趣的。

放心,噬菌体在这里留下来,并且必然要进行反击。


参考文献

A stockpile of antiviral defences

Sébastien Levesque &Sylvain Moineau


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