病毒是地球上最豐富多樣的生命形式，存在于每一個(gè)環(huán)境中。深海中病毒與宿主的互作以及它們對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響和功能尚不清楚。今天給大家來(lái)帶哈弗大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)發(fā)表在《Nature Microbiology》雜志上的一項(xiàng)新發(fā)現(xiàn)。深海病毒與宿主相互作用的多樣性遠(yuǎn)超之前的想象，免疫可以跨越很遠(yuǎn)的系統(tǒng)發(fā)育距離，導(dǎo)致種群間共同建立更強(qiáng)的病毒抵御能力，該發(fā)現(xiàn)有助于更好地了解病毒和設(shè)計(jì)病毒療法。

瓜伊馬斯盆地南部深海噴口微生物墊中收集到的10個(gè)樣本，發(fā)現(xiàn)細(xì)菌和古生菌對(duì)相同的病毒都有免疫力。

圖1 采樣地點(diǎn)

古生菌和細(xì)菌如此不同，為什么會(huì)同時(shí)感染一種病毒呢?該問(wèn)題促使研究者思考病毒與微生物相互作用的不同方式，而不僅僅是感染。

測(cè)序組裝到303個(gè)中高質(zhì)量的基因組（rep_mMAGs），主要以化學(xué)自養(yǎng)細(xì)菌和古菌為主，在代謝能力上它們相互依賴形成共生體，以便于利用深海中的甲烷。

樣本中病毒多樣性與微生物物種多樣性高度相關(guān)。許多病毒基因組（rep_vMAGs）包含新的輔助代謝基因(AMGs)。在宿主-病毒軍備競(jìng)賽中，部分病毒基因組編碼防御機(jī)制。

303個(gè)rep_mMAGs中共檢測(cè)到317個(gè)cas位點(diǎn)。在65個(gè)微生物種群中發(fā)現(xiàn)了116個(gè)獨(dú)特的CRISPR重復(fù)，91%的CRISPR針對(duì)一個(gè)種群。研究觀察到相同或相近的CRISPR重復(fù)序列在系統(tǒng)發(fā)育較遠(yuǎn)的種群中共享，可能是水平轉(zhuǎn)移造成的。

利用群體特異性CRISPR重復(fù)序列，挖掘宏基因組中獨(dú)特的spacers，通過(guò)這些spacers確定了28個(gè)rep_vMAG和29個(gè)rep_mMAG之間的96個(gè)相互作用(圖2A)。

Hi-C測(cè)序發(fā)現(xiàn)36個(gè)rep_vMAG和241個(gè)rep_mMAG之間的859個(gè)鏈接，揭示了宿主和病毒之間潛在的互作網(wǎng)絡(luò)。發(fā)現(xiàn)病毒可以與多個(gè)宿主相互作用，即病毒與具有相互依賴代謝的系統(tǒng)發(fā)育上遙遠(yuǎn)的生物共定位，這與基于CRISPR方法觀察到的情況一致。

為了確定在較遠(yuǎn)的系統(tǒng)發(fā)育距離下宿主-病毒互作的情況，公共數(shù)據(jù)庫(kù)中找到與細(xì)菌和古細(xì)菌CRISPR間隔序列都匹配的26種病毒。這些病毒都是在生物膜生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)的，并且代謝相互依賴。此外，許多匹配的CRISPR間隔區(qū)在已知或假設(shè)的共生群體中發(fā)現(xiàn)。推測(cè)這些跨越系統(tǒng)發(fā)育距離的宿主-病毒相互作用在自然界中更常見(jiàn)和更廣泛。

計(jì)算病毒和微生物基因pN/pS比例，篩選到18個(gè)正在經(jīng)歷多樣化選擇的病毒基因，其中有3個(gè)基因參與了DNA和RNA的代謝。還篩選到幾個(gè)正在多樣性進(jìn)化的管家蛋白，推測(cè)病毒在加速管家蛋白的進(jìn)化方面發(fā)揮重要作用。

本研究發(fā)現(xiàn)病毒可能與系統(tǒng)發(fā)育上遙遠(yuǎn)的微生物發(fā)生相互作用，基于該現(xiàn)象，研究者提出四個(gè)模型：①病毒基因組進(jìn)入病毒無(wú)法感染的細(xì)胞(即“非初級(jí)宿主”)；②病毒顆?；蚧蚪M在微生物共生體之間進(jìn)行轉(zhuǎn)移，實(shí)現(xiàn)跨越遠(yuǎn)系統(tǒng)發(fā)育距離的接觸轉(zhuǎn)移。這兩種情況將病毒基因組引入非原代宿主細(xì)胞將觸發(fā)基于CRISPR的免疫應(yīng)答。③④模型提出高密度生態(tài)系統(tǒng)(如微生物墊)可能是病毒宿主切換或擴(kuò)展宿主范圍的地點(diǎn)。

病毒和非主要宿主之間的這些相互作用具有廣泛的生態(tài)和進(jìn)化意義，可以促進(jìn)微生物和病毒基因的多樣化，增加適應(yīng)性免疫的選擇性優(yōu)勢(shì)。