Nature综述：噬菌体多样性、基因组学与系统发育

噬菌体是地球上丰度和多样性最高的生物学实体，大规模病毒宏基因组学和培养极大的推动了人们对噬菌体的了解。本篇综述从四个方面总结噬菌体研究进展，并结合研究现状给出自己的观点：

第一个方面展示噬菌体的形态特征以及蛋白结构；

第二个方面展示噬菌体基因组的多样性以及较低的基因组相似性；

第三个方面展示群落水平噬菌体的多样性，包括其在不同生态系统里的丰度与群落组成；

第四个方面探索不同噬菌体的基因交换，分析基因组镶嵌性与多样性的原因，从而使噬菌体谱系呈现出复杂的网络结构。

文章信息

作者：Moïra B. Dion, Frank Oechslin and Sylvain Moineau*

期刊：Nature Reviews Microbiology

时间：03 February 2020

链接：https://www.nature.com/articles/s41579-019-0311-5

主要内容

噬菌体遗传物质为单链或双链的DNA或RNA，遗传物质包裹在多面体(Microviridae, Corticoviridae, Tectiviridae, Leviviridae 和Cystoviridae)、丝状的(Inoviridae)、不定形(Plasmaviridae)或者与尾部相连(Caudovirales)的衣壳中，如下图所示：

目前大多数分离的噬菌体是双链DNA的有尾噬菌体，属于有尾噬菌体目Caudovirales，其受体结合蛋白（用于识别宿主）位于尾部纤维末端或者底座。相对于复杂多变、相似度低的基因组，噬菌体的结构似乎是有限的且种类相对较少。

噬菌体的基因组多样性很高，其起源扑朔迷离。作者经过总结发现一些宿主完全不同的噬菌体，他们的一些蛋白的结构却是十分类似的，典型的就是上图中的衣壳蛋白和传送蛋白，但是这些蛋白没有同源性，核苷酸和氨基酸序列的相似性都很小。作者在这里提供了两种可能的解释，第一是趋同进化，也就是这些蛋白进化起源不同，但是最终产生了相似的结构；第二种就是趋异进化，也就是这些蛋白具有一个共同的祖先，这些蛋白由于适应不同的宿主、进化历程迥异而产生了较大的序列差异，但是其结构仍然是保守的。保守的噬菌体衣壳形态和高度相似的蛋白结构似乎表明其是趋异进化的结果，也即有共同的祖先。而有限的衣壳形态表明，噬菌体很可能来自有限的几个共同起源，有人提出噬菌体形成三个多源进化谱系（PRD1-like, HK97-like和BTV- like），其中有尾噬菌体属于HK97-like。

如上图所示，截至2019年9月份共有8437个完整的噬菌体基因组，被划分为12个科，超过一半属于Siphoviridae。目前不成比例的噬菌体基因组数目分布很可能是由于研究项目的偏倚造成的，例如项目SEA-PHAGES就产生了1537个属于Siphoviridae的基因组。目前关于海洋噬菌体研究发现，无尾噬菌体丰度最高。未来随着研究的深入，其他分类的基因组可能越来越多。噬菌体基因组大小的范围比较宽，目前最小的噬菌体基因组只有2435bp，而有些噬菌体基因组却超过了200kb，最新发现的一类噬菌体基因组则超过了540kb。

如上图所示，病毒宏基因组学极大拓展了人们对于噬菌体丰度和多样性的认识。噬菌体培养难度大，基因组之间相似度很低，缺乏一些共有的marker基因，这给噬菌体研究增大了困难。病毒宏基因组学则可以克服这些困难，目前有90多水环境（主要为海洋）、38人体肠道以及8个土壤的宏病毒组研究，未来这方面的研究可能越来越多。宏病毒组的缺点是分辨率低，假如有相似度较高的序列则难以区分。因此，宏病毒组学应与单病毒基因组学、分离培养与显微镜观测结合来探索病毒暗物质。

接下来，作者总结了目前关于海洋、土壤、人类肠道噬菌体丰度与多样性的研究。海洋噬菌体可通过杀死细菌来显著影响微生物群落与营养物质循环，研究表明海洋中无尾噬菌体比例高达79%，三种环境中人类肠道噬菌体丰度最高，高达108VLPs/ml（如上图所示）。

最后，也是本篇文章的最大亮点，关于如何分析噬菌体的进化。基因的镶嵌性是噬菌体进化的主导。基因的镶嵌性是指相邻基因的进化历程不同，例如两个基因组之中有着一段很突兀的相似区域，这种现象通常是两个不相似祖先的重组所致。这些重组事件也叫水平基因转移，是噬菌体进化的主要媒介，同时也使得他们的进化关系十分复杂。水平基因转移的机制可以利用模式噬菌体进行研究，主要包括三类：非同源的、松弛的、同源的重组。基因组之间非同源的重组可以随机的发生，可以打乱基因和基因区块。绝大多数的重组会被淘汰，少数留存下来的，重组位点并不随机，往往出现在基因或基因区块的边界之外。松弛的（也叫部分同源）的重组发生在同源性有限但有一定联系的基因组位点；松弛重组的效率取决于序列相似性且比非同源重组发生频率更高，在lambda噬菌体中Rad52-like重组酶负责基因重组。同源重组发生频率最高，但是难以检测。

理论上，所有的双链DNA噬菌体基因组都具有镶嵌性，从而他们有一个大的公共基因池。然而，并不是所有噬菌体获得重组的能力都是相同的，要想重组，两个噬菌体必须具备最基本的条件，那就是在同一个宿主形成共侵染。第一种情况就是两个烈性噬菌体在共侵染中交换基因，在自然界细菌中共侵染现象似乎是比较普遍的。由于温和噬菌体可以整合进宿主基因组成为前噬菌体，他们可以成为病毒序列资源从而在HGT中起到关键作用（温和型噬菌体更容易形成共侵染）。当一个前噬菌体成为序列供体，随后侵染的裂解型的或者温和型的噬菌体成为序列受体，从而发生重组。其中序列受体中的重组酶，可以催化同源序列重组并容许一定的序列差异，起着关键作用。生物信息学的分析表明，温和噬菌体发生HGT的频率要远大于烈性噬菌体。假如根据基因共享来构建一个噬菌体的关系网，那么温和型噬菌体将居于网络的中间，而烈性噬菌体居于网络的外围。温和性噬菌体所起的作用类似于HGT的基因池。（如上图中lambda是温和型的，T7、T4等是裂解型的）。

根据基因组的共享基因情况，可以绘制噬菌体的网络联系。前面讲了生活史（温和型或者裂解型）对HGT有影响，但并不能解释全部，即使是温和型噬菌体，也有部分基因流通速率较低，可能宿主和环境等因素对HGT也有影响。首先，由于重组需要共侵染，因此相同taxonomy宿主的噬菌体应该倾向于聚在一起。事实上，相同taxonomy宿主的也可以形成不同类群的phage cluster，但是彼此之间也有遗传上的联系，不同宿主噬菌体之间联系的程度不一样，暗示了不同的HGT速率。由于缺乏普遍共有的marker基因，噬菌体很难像细胞生物那样构建单起源的系统发育树，基于其基因组高度的镶嵌性，噬菌体的系统发育更适合使用网络结构来呈现。

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