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作者：何奕霖，南京农业大学硕士在读，主要研究噬菌体与根际健康。 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！本期周刊为您介绍揭开深海冷泉病毒生态与进化的神秘面纱，原文于2023年发表在《The ISME Journal》上。深海冷泉沉积物中存在大量新颖、丰富多样的细菌和古菌病毒。然而，我们对这些病毒的遗传特征和进化模式知之甚少。该论文研究了南海海马冷泉地区活跃和灭绝期病毒的进化生态。共鉴定了338个病毒操作分类单元，并与36个细菌和古菌门进行关联。通过对487个微生物基因组中43个家族的多样病毒防御系统的分析，揭示了宿主-病毒互作动态。预测冷泉病毒拥有多样的适应策略，包括反防御系统、辅助代谢基因、逆转录酶和替代遗传密码分配。冷泉病毒群体中观测到极低的核苷酸多样性，且受微生物宿主、沉积物深度和冷泉阶段等因素的影响。大多数冷泉病毒基因受到强烈选择，其进化轨迹因冷泉活跃或灭绝而异。这项研究揭示了冷泉病毒在亚海底生物圈中的环境适应机制和进化模式，为我们对病毒的认识提供了新的视角。
1 在冷泉微生物基因组中存在多样的抗病毒策略 在这项研究中，从两个活跃冷泉和一个已灭绝冷泉采集了16个沉积物样本，利用宏基因组学方法获得了深度分层的沉积物核心样本的16个宏基因组数据集。通过组装和分析，得到了487个物种级别的宏基因组组装基因组（MAGs），涵盖了53个细菌和10个古菌门，其中大部分属于变形菌门、脱硫菌门、绿弯菌门。
图1 在冷泉细菌和古细菌基因组中发现的抗病毒系统的多样性 细菌和古菌拥有多样的抗病毒策略来抵御病毒感染，其中包括针对入侵DNA的限制修饰系统（RM）和利用RNA引导核酸酶切割外来序列的CRISPR-Cas系统(图1a)。在冷泉微生物基因组中，检测到了2145个抗病毒基因，可归类为43个抗病毒系统家族。平均而言，冷泉微生物基因组每个基因组编码两个抗病毒系统，并且每个基因组的抗病毒系统数量与基因组大小呈正相关(图1b)。细菌基因组中的抗病毒系统数量比古菌基因组更多。根据对已测序基因组的大规模调查，RM和CRISPR-Cas系统分别存在于约75%和40%的微生物基因组中。相对而言，冷泉生物基因组中编码RM（50.8%）和CRISPR-Cas系统（22.7%）的数量较少，但具有更高频率的可以调节各种目标蛋白活性的AbiEii（44%）和SoFlC（38%）（图1c）。这些数据揭示了海马冷泉微生物群落中多样的抗病毒策略，同时还特定富集了一些抗病毒系统，这些系统调控着宿主-病毒互作动态。2 冷泉新型病毒基因组与36个微生物门相关联 在338个病毒操作分类单元（vOTUs）中，有291个可以进行分类，其中288个属于有尾噬菌体——是跨生态系统中最常见的病毒分类(图2a)。只有10个vOTUs可以在属水平进行注释，这表明对深海冷泉病毒的分类仍存在很大的空白。这些vOTUs的寄主预测显示，病毒感染的寄主存在于36个细菌和古菌门中(图2b)。根据预测的宿主-病毒关联中的475个案例，最常见的门是叶绿菌门（80个），其次是卤菌门（31个）、阿斯加德古菌门（30个）和脱硫菌门（29个）。这与作者之前观察到的冷泉沉积物中病毒寄主以古菌为主相一致，并且这种宿主-病毒模式在其他深海生态系统中尚未报道。在已灭绝和活跃的冷泉沉积物样品中，感染甲烷古菌目和γ-变形菌目的病毒丰度较高。
图2 冷泉病毒的生态学特征 3 冷泉病毒在环境适应方面拥有多样的策略 为了抵御宿主微生物的抗病毒系统，冷泉病毒编码了广泛的反防御系统，包括抗CRISPR (Acr)蛋白、甲基转移酶和抗毒素(图3a-c)。这些反防御系统帮助寒渗透病毒适应环境并对抗宿主的防御机制。在总共55个病毒基因组中，检测到了75种II型DNA甲基转移酶，它们编码着多样的DNA修饰酶。此外，在10个病毒基因组中，发现了acr-aca操纵子，这可能抑制宿主的CRISPR-Cas免疫系统，从而使病毒得以传播。在63个病毒中发现了抗毒素基因的干扰模块，它们属于II型毒素-抗毒素（TA）系统。此外，还发现了共计17种病毒编码了两种或更多类型的反防御系统。
图3 冷泉病毒的多种环境适应策略 作为适应环境的重要机制，病毒可以通过转导获得新的功能基因，即辅助代谢基因（AMGs），这些基因有助于宿主/病毒的适应性。在7个病毒基因组中发现了10个AMGs，涉及四种不同类型的功能(图3d)。其中2个AMGs编码GTP环水解酶I（FolE），6个属于Que超家族（QueC和QueD），可能有助于合成GTP到7-氰基-7-脱氮鸟嘌呤（preQ0）。preQ0是Q和G+途径中的关键中间体，可以进一步修饰以保护病毒DNA免受宿主限制酶的影响。此外，还发现了编码S-腺苷甲硫氨酸（SAM）脱羧酶（SpeD）和脱氢酶E1组分的AMGs，它们参与胺或多胺的生物合成和三羧酸循环。SAM是甲基转移酶修饰DNA、RNA、组蛋白和其他蛋白质的甲基供体；将SAM脱羧为S-腺苷甲硫氨酸胺可能减少宿主酶对SAM甲基化所需的SAM。据报道，这些AMGs也在其他深海环境中的病毒中编码，表明它们在增加病毒在深海中的适应性方面起着重要作用。在22种病毒中，发现了不同类别的逆转录酶（RTs），包括多样性产生逆转录元件（DGRs）、retrons、UG26和UG28(图3e)。其中，与DGRs相关的RTs在五种病毒中被检测到。逆转录酶的机制可以引入目标基因的变异，促进宿主的进化。在三种病毒中发现了逆转录酶，这也可能参与对外源DNA的防御。其他RTs系统的角色和机制尚不清楚。在不同生境中，作者观察到来自不同病毒谱系的多样性，它们利用替代遗传密码来重新分配一个或多个密码子(图3f)。这些病毒的基因组大小从5.2 kb到179.7 kb，较大的基因组具有更多的基因重新编码事件。重新编码的基因主要与复制、重组和修复功能相关，其次是未知功能，这表明在控制病毒复制和调控过程中存在适应性重编码。
图4 冷泉病毒种群的全基因组进化指标 4 冷泉病毒在基因上保持遗传稳定性，并受到强烈的纯化选择作用 通过计算核苷酸多样性（π）、单核苷酸多态性（SNPs）和遗传分化指数（FST），可以追踪病毒的微观多样性。冷泉病毒群体的核苷酸多样性明显低于全球海洋中的病毒群体和不同土地利用方式的土壤病毒群体。在海马冷泉病毒群体中，也观察到与SARS-CoV-2冠状病毒、北美淡水湖泊中的噬菌体群体以及主导海洋的44个双链DNA病毒群体相比较低的SNP频率（图4b）在不同沉积物样本之间，冷泉病毒种群之间的FST值在0到0.89之间，平均为0.048，其中80%的成对分化指数为零（图4c）。这些数据表明，与它们的微生物宿主观察相反，冷泉病毒种群在遗传上是保守且均匀的，这表明病毒和微生物可能经历不同类型的环境选择。冷泉病毒在环境适应方面采用了多种策略，如编码甲基转移酶以修饰其DNA，抑制CRISPR-Cas系统的抗CRISPR基因，编码抗毒素以中和宿主的毒素-抗毒素系统等。此外，冷泉病毒的核苷酸多样性与其微生物宿主的进化轨迹和活跃冷泉的深度相关(图4e)，但在灭绝冷泉中未观察到明显的深度相关趋势。这些结果揭示了冷泉病毒与微生物宿主之间的复杂相互作用和环境适应策略。在基因水平上，pN/pS比值中有90.6%小于0.4，远低于地下盐水中的病毒群体(图5a)，这表明大部分冷泉病毒基因受到了强烈的纯化选择。然而，在与病毒DNA复制、重组、修复和成熟相关的基因中也检测到了正选择(图5b)，其中包括具有异常高pN/pS值的TerL、转座酶和亮氨酸-tRNA合成酶的编码基因。两个冷泉之间的pN/pS比值存在显著差异(图5a)。根据VOGDB的功能类别进行分组时，核苷酸多样性值在不同类别之间存在显著差异，而pN/pS比值则没有显著差异。在两个冷泉之间Tajima's D值范围从-9.7到0，变化显著(图5c)。其中，90.5%的病毒基因Tajima's D值为零，没有检测到SNP。其他基因中，受自然选择影响的基因多于受中性过程影响的基因。大量负值的观察结果支持冷泉病毒群体中罕见等位基因的存在和最近的种群扩张。
图5 冷泉病毒种群的基因进化指标 以前的病毒生态和进化研究很少关注地下病毒如何适应周围环境并与宿主相互作用。这项研究除了调查病毒群落的结构和功能特征外，还突出了活跃和灭绝的冷泉沉积物中不同深度的病毒的进化适应模式。研究发现了丰富且新颖的深海冷泉病毒，这些病毒在活跃和灭绝的冷泉以及不同沉积物深度之间存在差异。这些病毒与冷泉古菌和细菌的主要谱系相关，包括许多没有培养代表的分类群。冷泉古菌和细菌具有多种抗病毒防御系统，而它们的病毒也进化出丰富的适应策略以对抗这些宿主系统。除了对抗微生物宿主的反防御系统外，冷泉病毒还含有RTs和AMGs，这些对病毒的适应性有所贡献，并通过选择替代基因密码子来增加表型多样性。除了冷泉病毒的遗传多样性特征外，它们的进化轨迹也异常独特，具有遗传保守性和基因组的均一性，微分化程度意外地较低。大多数病毒基因通常在活跃和已灭绝的冷泉沉积物中都经历强烈的纯化选择，这些发现表明冷泉病毒的进化模式很可能受到多种因素的影响，包括微生物宿主、沉积物深度和冷泉地质。这些对病毒进化动态的分析将有助于指导针对极端环境中病毒进化和病毒-宿主互作的研究。然而，需要注意的是我们的研究结果仅代表双链DNA病毒，其他病毒颗粒未被纳入提取和分析过程中。因此，需要进行更多样本、更多地点和更大空间梯度的研究，结合宏基因组学、病毒组学以及单病毒基因组学的方法，以确定本文发现的结果是否适用于深海海底病毒群落。 论文信息 原名：Viruses in deep-sea cold seep sediments harbor diverse survival mechanisms and remain genetically conserved within species 译名：深海冷泉沉积物中的病毒具有多种生存机制，并在物种内保持遗传保守 期刊：The ISME Journal DOI：10.1038/s41396-023-01491-0 发表时间：2023-8-12 通讯作者：董西洋 通讯作者单位：中国自然资源部第三海洋研究所海洋生物遗传资源重点实验室
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