巨大噬菌體一一現身!一些具有 CRISPR 基因編輯和轉譯能力!

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噬菌體(bacteriophages,縮寫為 phages)是一種會吞噬且消滅細菌的病毒,對人體無害。噬菌體的基因體中位數約為 52000 對鹼基(base pairs, bp)。若其基因體超過 200000 bp 的噬菌體被稱為“巨噬菌體(jumbophages)”,若超過 500000 bp 的噬菌體被稱為“超巨噬菌體(megaphages)”,但卻鮮少見。

近日,加州大學伯克利分校的研究團隊發現,至今為止最大的噬菌體,其基因體長度是 735000 bp ,比平均噬菌體大近 15 倍,以及其他 350 個超過 200000 bp 的噬菌體。他們也簡稱這些噬菌體為巨大噬菌體(huge phages)。巨大噬菌體起源於 30 種獨特的地球環境,包含嬰兒和孕婦的糞便和口腔樣本,南非動物糞便養本,以及來自藏族溫泉、病房、海洋、湖泊、土壤、深層地下生態和建築環境的採樣樣本。該研究刊登於《Nature》。

細菌的 CRISPR-Cas9 基因編輯系統,已應用於人類醫療、食物改造等領域。噬菌體的 CRISPR–Cas 系統具有沉默宿主轉錄因子和轉譯基因的能力,也會與宿主之間有交互作用,例如,攔截轉譯而將生物合成重定向至噬菌體編碼的功能。此外,一些噬菌體可能會重新利用細菌 CRISPR-Cas 系統來消除競爭性噬菌體。

該研究團隊也進一步分析指出,這些巨大噬菌體能夠製造類似 Cas9 的蛋白質,如 Cas9 的 II 型、VI  型、VU 系統新變體和 VF 系統等新亞型。幾乎所有噬菌體 CRISPR 系統都缺乏間隔子捕獲機制(Cas1、Cas2 和 Cas4),而且許多都缺乏可辨識的干擾基因。在某些情況下,缺乏干擾和間隔子整合基因的噬菌體具有與其宿主相似的 CRISPR 重複序列,因此可能使用宿主的 Cas 蛋白,進行編輯。另外,這些噬菌體還具有第二個系統,其中包含一個新的候選 V 型效應蛋白 CasΦ(Cas12j),也能。

此外,他們也發現噬菌體中竟然有 tRNA、tRNA 合成酶、tRNA修飾酶、轉譯起始和延伸因子以及核醣體蛋白的編碼基因。這類基因過去僅在細菌或古細菌中發現。因此,他們推測巨大噬菌體可能使用這些基因來重定向核醣體,然後以細菌蛋白為代價,複製更多自身蛋白。一些巨大的噬菌體還具有其他的遺傳密碼,即編碼特定胺基酸的核酸三聯體,可能會混淆解碼 RNA 的細菌核醣體。「通常,是否擁有核醣體和進行轉譯的能力是分辨生命體與非生命體的界線,也是區分病毒和細菌的方法之一。然而,該研究指出,一些大型噬菌體具有這種轉譯機制,因此它們使這條界線有些模糊。」該研究第一作者 Rohan Sachdeva 說道。

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