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2023年01月20日
中国科大在噬藻体三维结构和组学研究中取得系列进展

中国科学技术大学生命科学与医学部周丛照教授课题组,继最近关于侵染伪鱼腥藻Chao 1806的五种噬藻体Pam1~Pam5的组学新进展(Microbiome, 2022)之后,利用冷冻电镜单颗粒技术解析了其中一株肌尾噬藻体Pam3的完整结构,阐明了一种最简肌尾噬菌体的精细组装模式,相关成果以“Fine structure and assembly pattern of a minimal myophage Pam3”为题于2023年01月19日在线发表在《美国科学院院报PNAS》上。与此同时,团队成功从巢湖分离出五株侵染伪鱼腥藻Chao 1811的噬藻体,命名为Pan1~Pan5,对其进行了基因组学和蛋白质组学分析,相关研究成果以“Phylogenomics of fivePseudanabaenacyanophages and evolutionary traces of horizontal gene transfer”为题于2023年01月13日在线发表在《Environmental Microbiome》上。

蓝藻作为地球上最重要的初级生产者,其起源可追溯至35亿年前的太古时期,通过光合作用调控生物圈的碳氮循环。然而,水体富营养化导致蓝藻大量繁殖形成水华,严重破坏生态环境。我国南方是蓝藻水华威胁的重灾区,治理难度大,费用高,周期长,是最受关注的环境问题之一。噬藻体作为特异侵染蓝藻的病毒,能够调控蓝藻的生长和种群分布,干预蓝藻水华的爆发,是一种潜在的蓝藻水华治理的工具。噬藻体的研究在国际上主要集中在海洋噬藻体及其生态功能方面,淡水噬藻体的研究相对薄弱。

研究人员通过冷冻电镜技术解析了特异性侵染伪鱼腥藻Chao 1806的肌尾噬藻体Pam3的完整结构。Pam3的头部直径为680 Å,通过颈部连接一个可收缩的840 Å尾巴和一个简化基板。相对于经典的大肠杆菌肌尾噬菌体T4,Pam3的组装模式更为简单,其尾部基板仅包含6个蛋白组分,其中12个尾丝三聚体采用上下交替的构象,通过二硫键共价结合在尾部基板上,暗示Pam3的组装和侵染宿主时尾鞘的收缩可能受到环境中氧化还原状态的精细调控。该研究揭示了一种新型的简化肌尾噬菌体的精细组装模式,鉴定了肌尾噬藻体组装和侵染过程所需的最少结构组分,为后续噬菌体的理性设计和人工改造,及其应用于干预蓝藻水华提供了理论指导。

同时,研究人员基于基因组和蛋白质组比较分析,揭示了侵染伪鱼腥藻Chao 1811的噬藻体Pan1~Pan5独特的基因组特征以及进化多样性。通过对辅助代谢基因phoH的系统发育分析,为蓝细菌和α-变形菌间存在的由噬菌体介导的门间基因水平转移提供了直接证据。该研究成果丰富了淡水噬藻体参考基因组数据库,有助于鉴定新的基因和未知功能蛋白;同时,首次在噬藻体中发现的门间基因水平转移的进化痕迹,暗示噬菌体或噬藻体可以被开发为在不同物种或门之间进行基因操作的载体。

周丛照教授、江永亮副教授和李琼特任副研究员为PNAS论文的共同通讯作者,杨丰博士为第一作者。周丛照教授、李琼特任副研究员和李卫芳副教授为Environmental Microbiome论文的共同通讯作者,博士生朱洁为第一作者。冷冻电镜数据收集工作在中国科学技术大学冷冻电镜中心完成。上述研究得到科技部、国家自然科学基金委、中科院和中央高校基础科研业务费专项资金的资助支持。江永亮感谢中科院“青年创新促进会”的支持。

全文链接:

PNAS:https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2213727120

Environmental Microbiome:https://doi.org/10.1186/s40793-023-00461-5

(生命科学与医学部,科研部)

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