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病毒利他更利己—深海噬菌體與宿主的代謝互動

在幽暗的深海裡,化能自營( chemolithoautotrophic )生物取代利用葉綠素的光能自營生物,扮演著固定二氧化碳的角色。化能自營生物可以藉由氧化氫、硫、氮、亞鐵離子等物質產生能量,其中一群廣布於深海中的細菌— SUP05 細菌分類群( clade )藉由氧化硫及其化合物獲取能量。除了擔任生產者的細菌們,感染這些自營細菌的噬菌體也深海生態系中處處可見。雖然 SUP05 分類群及其噬菌體很常見,但目前仍然無法人工培養這些微生物,讓研究者難以瞭解他們的生物特性與互動。因此 Karthik Anantharaman 等人想藉由總體基因體學的方法,從大量環境樣本中的 DNA 序列窺探 SUP05 海洋細菌與它們的噬菌體之間的關聯。

研究者從西太平洋的劉江海盆( Lau Basin )與加州灣的瓜伊瑪斯海盆( Guaymas Basin )的深海熱泉取得樣本,經純化與次世代定序,獲得許多基因體群( genomic bins )。這些基因體群經比對可歸類為許多不同種細菌、噬菌體所擁有。在拼裝出的18個病毒基因體當中,有15個基因體中含有逆向異化型亞硫酸鹽還原酶( reverse dissimilatory sulfite reductase, Rdsr )— rdsrA 與 rdsrC 基因,這兩個基因的產物負責將元素硫氧化,而且並未在這些基因體當中找到其他跟硫代謝相關的基因。若使用 rdsrA 重建親緣關係樹,所有的噬菌體 rdsrA 序列都與 SUP05 細菌的 rdsrA 序列分在同一群,而且序列與其他群細菌的 rsdrA 序列相差甚遠,因此可以推斷噬菌體的 rdsrA 序列最早源於 SUP05 細菌。以同樣的方法,他們發現還有其他基因具有同樣的歷史。經由比較胺基酸序列及結構,顯示病毒蛋白的催化位與二級結構與細菌的 rdsrA 蛋白相同。由此可知,這些基因如果表現於宿主 SUP05 分類群的細菌體內,很可能直接參與細菌的代謝。

在氧化硫的過程當中,氧化元素硫成為亞硫酸根的步驟可釋放最多能量,同時也是最關鍵的步驟。我們在某些不具有完整硫氧化路徑的細菌當中,例如 SUP05,找到許多硫顆粒,如果細菌被噬菌體感染,可以擁有額外表現的 rdsrA、rdsrC 基因,幫助使用這些硫。這確保細菌有充足能量供生長,也讓噬菌體能維持感染和複製,利於噬菌體的存續。研究者額外分析了太平洋病毒體資料庫( Pacific Ocean Virome Data Set ),發現存在 SUP05 分類群的低氧環境都可發現噬菌體,可知這兩者的共生關係並不僅限於深海熱泉。

這個研究告訴我們,噬菌體在深海生態系當中扮演重要的角色,並且藉由提供宿主代謝的利益維持自身的繁衍。如果是用總體基因體學的方法,可以避開無法培養生物體的劣勢,為研究帶來新的途徑。

親緣關係樹顯示SUP05細菌與噬菌體的rdsrA基因被分在同一個分支上,和其他細菌的基因相距甚遠,而且不同噬菌體的基因關係密切。圖片來源:http://science.sciencemag.org/content/344/6185/757.full

圖說:

參考資料:
1. Anantharaman, K., Duhaime, M. B., Breier, J. A., Wendt, K. A., Toner, B. M., & Dick, G. J. (2014). Sulfur Oxidation Genes in Diverse Deep-Sea Viruses. Science, 344(6185), 757-760. doi:10.1126/science.1252229

撰文│王振宇
修訂|黃筠安

About the author

王振宇

王振宇

臺大學生,醫學雙主修生科,一邊在醫院當路障一邊在實驗室學習,還時常妄想跑到野外觀察植物。專長為植物分類學及演化,先前在臺師大生科系種子植物分類學研究室,研究台灣紫背草屬植物的分類及雜交,目前正在轉換到臺大臨床醫學研究所,執行科技部大專生計畫,研究台灣淡水魚類的雜交及演化。其他的興趣還包含民俗植物與新藥開發、攝影、結構生物學與演化。希望能在Investigator多多寫文章推廣科學新進展。