生命的定義是什么？
其中最重要的依據之一便是——產(chǎn)生新的后代。
病毒作為一種特殊的生命形式，似乎正毗鄰生命與非生命之間的界限，人類(lèi)也一直尋找病毒的具體起源。
噬菌體(phage)是一類(lèi)侵襲細菌的病毒，種類(lèi)極其豐富，是病毒中最為普遍和分布最廣的群體。噬菌體極其微小但構造精細，它們通常攜帶宿主菌的部分基因，并利用這些基因來(lái)對抗宿主菌。
近日，國際頂尖學(xué)術(shù)期刊 Nature 雜志發(fā)表了來(lái)自美國加州大學(xué)伯克利分校的一項重磅研究論文：Clades of huge phages from across Earth’s ecosystems。
在此項研究中，研究人員從近30個(gè)不同的環(huán)境中分離鑒定出351種巨型噬菌體，最大的一個(gè)基因組長(cháng)達73.5萬(wàn)個(gè)堿基對，是普通噬菌體15倍，甚至比許多細菌都要大。這些巨型噬菌體的發(fā)現填補了非活體噬菌體與細菌、古菌之間的空白。
這些噬菌體來(lái)自近30個(gè)不同的環(huán)境（如早產(chǎn)兒、孕婦腸道、西藏溫泉、醫院病房、海洋、湖泊和地下深處等）。
值得一提的是，CRISPR基因編輯先驅 Jenniner Doudna 教授也是本文作者之一。
噬菌體通常具有較小的基因組，并依賴(lài)于它們的細菌宿主進(jìn)行復制。然而科學(xué)家們已經(jīng)發(fā)現了數百種巨型噬菌體，它們攜帶大量的宿主菌的蛋白質(zhì)，并利用這些蛋白質(zhì)更有效地控制宿主細菌。這些蛋白質(zhì)包括那些參與核糖體組成的蛋白質(zhì)和CRISPR-Cas細菌免疫系統，由此看來(lái)，巨型噬菌體就像是微生物與病毒的混合體。
研究人員從近30個(gè)不同的環(huán)境（如早產(chǎn)兒、孕婦腸道、西藏的溫泉、醫院病房、海洋、湖泊和地下深處）中分離鑒定出351種巨型噬菌體。
DNA測序結果表明這些巨型噬菌體的基因組相較于普通噬菌體要大四倍以上，其中最大的噬菌體基因組長(cháng)達73.5萬(wàn)個(gè)堿基對，幾乎是普通噬菌體的15倍，同時(shí)也是迄今為止發(fā)現的最大的噬菌體基因組。更令人驚訝的是，這個(gè)已知最大的噬菌體基因組甚至比許多細菌的基因組都要大！
更有趣的是，這些巨型噬菌體很大一部分的DNA正是編碼細菌對抗噬菌體的免疫系統——CRISPR-Cas系統。研究者推測這很可能是巨型噬菌體將這些DNA插入到宿主菌的DNA中，增強宿主菌的CRISPR-Cas系統對其他病毒的免疫能力，從而減少來(lái)自其他病毒的競爭。除此之外，巨型噬菌體編碼的CRISPR-Cas系統還具有沉默宿主轉錄和翻譯的能力，將宿主菌內的生物合成重新定向到噬菌體的蛋白合成。
加州大學(xué)伯克利分校的研究生、本文的第一作者Basem Al-Shayeb說(shuō)道：“有趣的是，這些噬菌體改變了我們的認知——CRISPR-Cas系統不僅僅屬于細菌或古細菌，它們利用自身的優(yōu)勢來(lái)對抗競爭，從而引發(fā)了這些病毒之間的戰爭?！?/p>
除了為巨型噬菌體與同類(lèi)、宿主菌之間的戰爭提供新的見(jiàn)解之外，這些新發(fā)現還對人類(lèi)疾病的治療和預防產(chǎn)生的影響。噬菌體通常會(huì )在宿主菌之間攜帶基因，包括毒性基因和抗生素抗性基因等，由于噬菌體常常出現在細菌和古菌生活的地方，包括人類(lèi)腸道微生物群，因此，它們可以把有害的基因帶到人類(lèi)的細菌中。
新的Cas蛋白
有研究表明某些巨型噬菌體會(huì )攜帶在多種細菌CRISPR-Cas系統中發(fā)現的Cas蛋白變體的基因，如Cas9、Cas12、CasX和CasY家族。
本研究中，研究者在這些巨型噬菌體中發(fā)現了一種新型Cas蛋白，他們將其命名為Cas?（希臘字母?或φ，傳統上被用來(lái)表示噬菌體），而Cas?是Cas12家族的一個(gè)變體。
Sachdeva表示：“在這些巨型噬菌體中，我們發(fā)現的很多基因都是未知的，它們沒(méi)有假定的功能，可能是工業(yè)、醫療或農業(yè)應用的新蛋白質(zhì)來(lái)源，并有望為基因組工程帶來(lái)新的工具?！?/p>
核糖體相關(guān)蛋白基因
加州大學(xué)伯克利分校教授、本文的通訊作者Jillian F.Banfield在15年的時(shí)間里一直在探索細菌、古菌和噬菌體的多樣性，她的團隊對樣本進(jìn)行DNA測序、拼接和組裝，并進(jìn)行相應的生物信息學(xué)的分析。
在本研究的351種新發(fā)現的巨型噬菌體中，Banfield及其團隊發(fā)現了許多編碼未知蛋白的基因，這些蛋白質(zhì)對核糖體翻譯至關(guān)重要，然而根據以往的研究，這些基因通常不存在于病毒，而存在于細菌或古生菌中。
巨型噬菌體中發(fā)現的這些核糖體相關(guān)蛋白質(zhì)包括tRNA基因、裝載和調節tRNAs的蛋白質(zhì)基因、啟動(dòng)翻譯的蛋白質(zhì)基因甚至是編碼核糖體本身的基因。
巨型噬菌體很可能利用這些基因來(lái)改變核糖體定向，以犧牲宿主菌蛋白合成為代價(jià)轉而合成更多的噬菌體自身的蛋白。此外，一些巨型噬菌體的基因含有特殊密碼子，細菌本身的核糖體可能無(wú)法識別，因此，需要自身編碼出核糖體才能正常翻譯。
文章第一作者Sachdeva說(shuō)道：“通常，區分生命和非生命的依據是核糖體和翻譯能力；這是區分病毒和細菌、非生命和生命的主要定義特征之一，然而我們的研究發(fā)現一些大型噬菌體也有這樣的翻譯機制，所以這些發(fā)現讓生命和非生命的界限更加模糊?！?/p>
總而言之，此項研究中研究人員從近30個(gè)不同的環(huán)境中分離鑒定出351種巨型噬菌體，并對它們進(jìn)行了DNA測序和生物信息學(xué)分析。他們的研究結果表明巨型噬菌體攜帶有CRISPR-Cas系統和核糖體翻譯相關(guān)基因，使得病毒和細菌、非生命和生命之間的界限更為模糊不清。
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