深海微生物病毒大探索

　　

在地球上，病毒是最丰富多样的生命形式，存在于每一个环境中。例如，在海洋中，病毒甚至比微生物还要丰富，数量是微生物的十倍。病毒通过感染从人类、动物到昆虫甚至微生物的活生物体来复制。虽然感染微生物的环境病毒的存在并不是一个新发现，但它们的流行程度以前是未知的。研究人员才刚刚开始了解病毒的丰富多样性，以及它们对生态系统的影响和功能。

发表在《Nature Microbiology》杂志上的一项新研究研究了感染深海微生物的病毒，并发现了病毒与宿主相互作用的证据，其多样性远远超出了之前的想象。这项研究的发现可能有助于更好地了解病毒和设计病毒疗法。

在2021年墨西哥瓜伊马斯盆地的一次探险中，第一作者Yunha Hwang博士和进化生物学系的通讯作者Peter Girguis教授从深海热液喷口微生物垫中收集了样本。这些微生物垫由大量的细菌和古生菌组成，这些微生物在这些生态系统中占主导地位。两者都是微生物，但细菌和古生菌是非常不同的分类;就像细菌和人的区别一样。

虽然天壤之别，但许多古生菌和细菌都是通过共生关系生存的。在热液喷口，细菌和古生菌形成的物质可以利用在这些环境中发现的甲烷的能量。虽然这种关系是生存所必需的，但这并不能改变这两个血统在生物学上非常不同的事实。这让Hwang和Girguis更惊讶地发现细菌和古生菌都对相同的病毒有免疫力。                

大多数关于病毒的工作都是在实验室里用一种培养物和一种病毒完成的。研究最近才开始扩展到自然环境，这需要使用不同的工具，因为微生物不容易在实验室培养。

“当我们看到结果时，我们感到困惑，因为无论它们是否是共生的，感染机制被认为是非常复杂和宿主特异性的。如果古生菌和细菌如此不同，一种病毒怎么能同时感染两者呢?这个问题促使我们思考病毒与微生物相互作用的所有不同方式，而不仅仅是感染。大约99%或更多的微生物，我们知道存在于自然界，我们不能在实验室培养，”Hwang说。“现在我们能够测序微生物的DNA，而无需培养海洋或土壤中的微生物。有了这些，我们可以问，‘那里有什么病毒，它们之间有什么相互作用?’”

在加入Girguis的实验室之前，Hwang研究了沙漠环境中的病毒，并观察到自然界中宿主-病毒的相互作用比实验室环境中要微妙得多。与沙漠土壤不同的是，深海喷口拥有大量微生物垫，其中数十亿微生物处于共生关系中。在观察这些独特的环境时，研究人员问道，如果微生物生活在如此高密度的环境中，是否有更广泛的病毒“宿主范围”?换句话说，它们能够感染不同的微生物吗?

他们对样本进行了DNA测序，并恢复了微生物和病毒的宏基因组组装基因组。他们使用CRISPR spacers(编码微生物的免疫记忆)来推断样品中微生物对哪些病毒免疫。

为了证实他们的发现，他们采用了一种称为Hi-C(高通量染色体构象捕获)测序的新技术。如果在细胞内发现病毒DNA, Hi-C技术可以对交联病毒和宿主DNA进行测序。发现病毒DNA和微生物DNA之间有统计学意义上的联系，研究人员可以证实他们的发现，病毒DNA不仅存在于一种类型的细胞中，而且也存在于系统遗传学上遥远的细胞中。

“CRISPR spacers分析和Hi-C数据显示了一个惊人的模式，即病毒基因组与非常遥远的微生物组相互作用，特别是那些彼此共生的微生物组，”Hwang说，“这种相互作用导致了一个非常有趣的现象，即共生微生物携带对抗相同病毒的免疫记忆，这意味着共生伙伴合作也存在于它们的免疫中。我们在细菌种群中看到过这种情况，但我们还没有在远亲物种中看到过。这是一个令人心酸的发现，因为它揭示了自然环境是如何相互关联的。”

“利用喷口微生物垫来更好地了解病毒在微生物密度极高的栖息地中的作用，”Girguis说，“她在寻找古生菌和细菌基因组的模式方面也非常周到。CRISPR spacers和Hi-C数据向我们表明，细菌以某种方式与完全野生的古生菌相同的病毒相互作用。”

这项研究挑战了传统观点，即病毒只与一小部分宿主相互作用。虽然研究人员仍在收集一种病毒感染这两种截然不同的宿主的直接证据，但数据清楚地表明，细菌和古生菌都对同一种病毒具有免疫力。

这些结果使Hwang和Girguis提出了宿主-病毒相互作用的不同模型，这些模型具有超越感染的生态和进化意义。他们认为，病毒与非病毒主要宿主的微生物的相互作用实际上可能在自然界中普遍存在，特别是在微生物以共生关系存在的地方。同一种病毒不太可能同时感染细菌和古生菌。相反，我们认为，一方在与病毒发生非传染性接触后获得并保留了免疫力，并且/或免疫力在共生伙伴之间横向转移。”

在自然环境中宿主-病毒相互作用的多价性质，以及感染之外相互作用的多种模式，在研究人员将病毒用于生物技术和医疗应用(如在肠道等自然环境中进行病毒治疗)时，提出了重要的考虑因素。

Hwang教授说:“这些宿主-病毒在自然环境中的相互作用表明，免疫可以跨越很大的系统发育距离，导致种群间共同建立更强的病毒抵御能力。”

参考文献:Viruses interact with hosts that span distantly related microbial domains in dense hydrothermal mats” by Yunha Hwang, Simon Roux, Clément Coclet, Sebastian J. E. Krause and Peter R. Girguis, 6 April 2023, Nature Microbiology.