巨大噬菌体一一现身!一些具有 CRISPR 基因编辑和转译能力!

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噬菌体(bacteriophages,缩写为 phages)是一种会吞噬且消灭细菌的病毒,对人体无害。噬菌体的基因体中位数约为 52000 对碱基(base pairs, bp)。若其基因体超过 200000 bp 的噬菌体被称为“巨噬菌体(jumbophages)”,若超过 500000 bp 的噬菌体被称为“超巨噬菌体(megaphages)”,但却鲜少见。

近日,加州大学伯克利分校的研究团队发现,至今为止最大的噬菌体,其基因体长度是 735000 bp ,比平均噬菌体大近 15 倍,以及其他 350 个超过 200000 bp 的噬菌体。他们也简称这些噬菌体为巨大噬菌体(huge phages)。巨大噬菌体起源于 30 种独特的地球环境,包含婴儿和孕妇的粪便和口腔样本,南非动物粪便养本,以及来自藏族温泉、病房、海洋、湖泊、土壤、深层地下生态和建筑环境的采样样本。该研究刊登于《Nature》。

细菌的 CRISPR-Cas9 基因编辑系统,已应用于人类医疗、食物改造等领域。噬菌体的 CRISPR–Cas 系统具有沉默宿主转录因子和转译基因的能力,也会与宿主之间有交互作用,例如,拦截转译而将生物合成重定向至噬菌体编码的功能。此外,一些噬菌体可能会重新利用细菌 CRISPR-Cas 系统来消除竞争性噬菌体。

该研究团队也进一步分析指出,这些巨大噬菌体能够制造类似 Cas9 的蛋白质,如 Cas9 的 II 型、VI  型、VU 系统新变体和 VF 系统等新亚型。几乎所有噬菌体 CRISPR 系统都缺乏间隔子捕获机制(Cas1、Cas2 和 Cas4),而且许多都缺乏可辨识的干扰基因。在某些情况下,缺乏干扰和间隔子整合基因的噬菌体具有与其宿主相似的 CRISPR 重复序列,因此可能使用宿主的 Cas 蛋白,进行编辑。另外,这些噬菌体还具有第二个系统,其中包含一个新的候选 V 型效应蛋白 CasΦ(Cas12j),也能。

此外,他们也发现噬菌体中竟然有 tRNA、tRNA 合成酶、tRNA修饰酶、转译起始和延伸因子以及核糖体蛋白的编码基因。这类基因过去仅在细菌或古细菌中发现。因此,他们推测巨大噬菌体可能使用这些基因来重定向核糖体,然后以细菌蛋白为代价,复制更多自身蛋白。一些巨大的噬菌体还具有其他的遗传密码,即编码特定胺基酸的核酸三联体,可能会混淆解码 RNA 的细菌核糖体。“通常,是否拥有核糖体和进行转译的能力是分辨生命体与非生命体的界线,也是区分病毒和细菌的方法之一。然而,该研究指出,一些大型噬菌体具有这种转译机制,因此它们使这条界线有些模糊。”该研究第一作者 Rohan Sachdeva 说道。

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