【原】【LorMe周刊】全球RNA病毒组的扩展揭示了噬菌体的多样分支

LorMe青年 2022-11-16 发布于江苏

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作者：王硕，南京农业大学博士在读。主要研究利用噬菌体防治土传病害。

周刊主要展示LorMe团队成员优秀周报，每周定期为您奉上学术盛宴！本期周刊为您介绍全球尺度内RNA病毒的多样性，原文于2022年10月发表在《Cell》上。

导读

高通量RNA测序为探索地球RNA病毒提供了广阔的机会。本研究挖掘5150个不同的宏转录组，发现了超过250万个RNA病毒contigs。对>330000个RNA依赖性RNA聚合酶(RdRP)的分析表明，研究结果将已知的RNA病毒多样性扩增了5倍。由细菌和相关真核病毒组成的Lenarviricota门急剧扩大，占RNA病毒组的三分之一。CRISPR间隔区匹配鉴定表明，以前与真核生物相关的picobirnaviruse和 partitiviruse亚群可以侵染原核宿主。

主要内容

01 从不同的转录组中鉴定RNA病毒

从宏转录组数据共鉴定出2658344个RNA病毒contigs，并补充了27984个来自公开数据库的序列（图1A）。RNA病毒序列簇按大小呈幂律分布，以小簇为主，大簇有长尾巴，最大的包括429个contig。根据累积曲线，在RvANI90(RNA病毒ANI90簇)水平上评估RNA病毒的全球多样性没有饱和迹象（图1B），并且在土壤环境中的丰富度最高（图1B）。约5.8%编码RdRP的contig显示了使用替代遗传密码（图2），约0.5%显示了RdRP内保守基序（结构域排列）的重新排列（图2）。

图1 RNA病毒发现方法

02 RdRP系统发育与RNA病毒多样性扩展

得到的RdRP树包含77520个代表性序列（图2）。在大多数样本中，5个门基本上保持单系。倾向于打破门水平单系的序列形成了一个明显偏倚的亚群，其中Flasuviricetes是最常见的“罪魁祸首”。Flasuviricetes位于Pisuviricota内部，而在先前的分析中，它是Kitrinoviricota的基础分支。然而，Flasuviricetes在亚样本树中的位置不一致表明它们的系统发育位置仍然不确定。Reoviridae、Picobilnaviridae、Cystofiridae和几个候选科也经常脱离各自的门，当亚样本树被减少到只有五个门中每一个门的最低共同祖先时（图2 右上），发现最深的分支顺序是稳健的，Pisuviricota和Kitrinoviricota在共同的发育树中形成树冠组，Lenarviricota和Negarnaviricotta占据基础位置。

图2 全球RNA病毒圈的系统发育重建

03 与细菌相关RNA病毒范围的主要扩展

Cystofiridae的多样性从8个已发布的RCR90簇扩展到132个RCR90簇。Levivirus多样性从1940个RCR90簇增加到13512个RCR90簇。扩展的Lenarviricota门现在占RNA病毒RCR90簇的三分之一以上，包括四个最大的科（图2），其中第一个和第四个分别是Steitzviridae和Fiersviridae，它们是真正的Leviviricetes噬菌体。除了Lenarviricota的扩张外，汇集的证据表明，以前被认为只侵染真核生物的几组病毒重新分配到细菌宿主（图3B）。在当前的RdRP系统发育中，Cystoviridae从Duplornaviricota迁移到Pisuviricota，与picobirnaviruses和partitiviruses形成分支。在Durnavarles中，有几个分支在5’非翻译区（UTR）中显示出核糖体结合位点（SD）基序的意外保护，表明这些病毒侵染了细菌。来自23个RvANI90簇的161个RNA病毒的间隔区匹配结果跨越两个分支：Leviviricetes和genPartiti.0019（图3B）。其中genPartiti.0019病毒的配对与Roseiflexus sp. RS-1的群体特异性相关。在16个宏基因组的编译间隔子中，每个CRISPR阵列可以与1000–40000个间隔子相关联，但在编码逆转录酶（RT）的III-B阵列中检测到与genPartiti.0019序列匹配的所有间隔子，表明这些间隔子是从RNA模板获得的（图3C）。在跨越9年的样本中观察到这些CRISPR间隔子匹配，并显示出间隔子随时间的动态增加或损失，表明了病毒与宿主的关联。因为所有genPartiti.0019 contigs单独编码RdRP，而相关的partitiviruses具有被分开的基因组（其中衣壳和其他蛋白质在单独的片段中编码），所以在Mushroom Spring宏转录组中搜索编码相应衣壳蛋白（CPs）的contig。共鉴定了88个潜在的编码衣壳的contigs（图3D），其中86个编码的蛋白质与已知的partitiviruses衣壳的HMM图谱最为一致。因此，genPartiti.0019成员最有可能是侵染Roseiflexus sp. RS-1的分段RNA噬菌体。在由原核宿主主导的数据集中，在广泛的生物群落中检测到了大多数潜在的RNA噬菌体，其中Leviviricetes是迄今为止最丰富的原核RNA病毒群，但一些由genPartiti.0019主导的黄石温泉除外（图3E）。

图3 原核RNA病毒的多样性和丰度

04 RNA病毒在样品和生境中的差异分布

RNA病毒调查覆盖了全球，反映了RNA病毒在地球上的普遍性（图4A）。分析的大多数数据集都是缺失rRNA的（67%）。尽管poly(A)富集和总RNA数据集主要由真核生物序列组成，但rRNA缺失数据集主要是由原核生物序列组成。根据非病毒contig的分类组成，数据集被分为三组：“真核生物（E）主导”（811）、“原核生物（P）主导”（2706）和“混合”（452）。大多数RNA病毒类别在不同数据集类型和环境中显示出清晰的分布模式，可能反映了其主要宿主群体的分布（图4B）。

图4 全球RNA病毒的分布

05 RNA病毒基因组的模块化进化

首先确定了这些家族的成员，其中RdRP和CP位于同一段。检测到多个由非同源对应物引起的结构基因模块移位案例。例如，虽然Potyviridae、Benyviridae和Matonaviridae的成员分别编码3个不相关的CP，并形成螺旋丝状、杆状或被包裹的病毒颗粒，但在这些病毒附近分支的一些谱系编码single jelly roll（SJR）CP，预计形成非包膜二十面体病毒。在f.0226.base-Beny组中，几种病毒同时编码SJR和烟草花叶病毒（TMV）样CP，可预测它们分别形成二十面体和螺旋衣壳，表明这些病毒可能获得了第二个CP，但保留了祖先的CP。在Togaviridae的基础谱系中也发现了非同源CP，其中典型的Togaviridae二十面体形成CP被TMV样CP取代，很可能形成杆状螺旋病毒，表明TMV样CP出现在Hepelivirales和Martellivirale的共同祖先中。相反，在两个已鉴定的Virgaviridae contig中，TMV样CP被Kitaviridae的结构蛋白取代。在f.0268.base-Toga中，典型的Togaviridae结构模块（包括CP和II类融合蛋白[CIIF]基因）被一种I类融合蛋白和一种nidoviruse M蛋白（图5）替换。膜融合糖蛋白的类似替换也在Xinmoviridae contig中发现，其中CIIF蛋白取代了典型的III类融合蛋白，但保留了典型的单核病毒核衣壳蛋白。接下来鉴定了几种以Hypoviridae（无衣壳真菌病毒）为基础的病毒群，其编码的CP与柔性螺旋病毒或二十面体病毒的SJR CP同源，表明这些科的祖先可能是衣壳编码。进一步鉴定了编码SJR CP的Deltaflexiviridae近亲，与Tymovirus相似，表明Deltafluxivirida是从Tymovir科的一个成员进化而来的，之后转移到真菌宿主。最后，研究了RdRP结构域中存在的一种独特的重排（称为“结构域置换”），发现2.9%的RCR90 RdRP集合（2241）被鉴定为置换。分析表明，基序交换起源于两个类（图2），即Pisuviricota（包括Permutotetraviridae、Birnaviridae和其他14个暂定科）的候选类c.0017和Kitrinoviricota（覆盖8个假定科，包括Yangshan集合的许多病毒）的候选类c.0032。

图5 RNA病毒中蛋白结构域的多样性

总结

文章首先通过宏转录组数据发现大量的RNA病毒contig，再以RdRP基因作为保守基因研究全球RNA噬菌体的多样性，研究结果拓宽了已知的RNA多样性。并且发现与细菌相关的RNA病毒的多样性大大扩充。并进一步研究RNA病毒在不同生境中的分布，发现RNA病毒在全球范围内具有普遍性并且大多数RNA病毒类别在不同数据集类型和环境中显示出清晰的分布模式。最后，研究了RNA病毒的进化模式。结果发现存在RNA病毒基因组中存在由非同源对应物引起的结构基因模块移位和基序交换现象。