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          4. 科研進展

            細菌宿主對溫和噬菌體“沉默-激活”的機制獲新進展

              

              中國科學院南海海洋研究所王曉雪研究員團隊發現細菌宿主H-NS蛋白調控原噬菌體的沉默-激活過程的新機制。相關研究成果以Xenogeneic silencing relies on temperature-dependent phosphorylation of the host H-NS protein in Shewanella為題于38在線發表于英國Oxford出版社生物學核心期刊Nucleic Acids Research《核酸研究》(最新影響因子11.501)。劉曉曉副研究員為論文第一作者,王曉雪研究員為論文通訊作者。 

              噬菌體是海洋中最豐富、最多樣化的一類病毒。同其他病毒一樣,噬菌體依靠宿主進行生存繁殖,細菌和古菌是噬菌體的天然宿主。烈性噬菌體與宿主之間的關系可以稱為捕食者與獵物,一旦侵染宿主將直接導致宿主細胞裂解并釋放大量的噬菌體。溫和噬菌體則可選擇整合到宿主基因組中,以原噬菌體(prophage)的形式與宿主保持共存的狀態,宏基因組的調查發現海洋中半數以上的細菌都感染了溫和噬菌體,所形成的原噬菌體可通過提供新的功能而使細菌宿主受益,它們之間的密切關系顯著地塑造了二者的生物共進化。王曉雪等前期研究工作中發現原噬菌體在細菌生物膜和宿主應激反應中扮演著重要的角色。然而,一旦原噬菌體受某外因刺激而進入裂解周期,會造成宿主細胞的死亡,因此原噬菌體的激活需受到宿主的嚴格控制。 

              希瓦氏屬細菌廣泛分布于海洋,包括表層海水、深海、極地、熱液口等多樣的海洋環境。比較基因組學分析發現,原噬菌體、質粒和基因島等水平基因轉移元件是不同環境中希瓦氏屬菌基因組的主要差別,是研究環境細菌和原噬菌體共進化的理想模型。王曉雪團隊前期研究發現分離于淺層沉積物(Zeng et al., ISME J, 2016)和深海沉積物(Liu et al., EM, 2019)的希瓦氏菌中的原噬菌體,都通過與細菌宿主建立共生關系,幫助細菌宿主適應極端環境適應。分離于具有溫度交替環境中的希瓦氏菌,其中的原噬菌體在低溫條件下會從宿主基因組中發生切離,提高細菌在低溫下的存活率,說明在特定的環境條件下對原噬菌體進行沉默-激活決定細菌宿主的命運。 

              H-NS是細菌宿主編碼的一個全局轉錄抑制因子,其對整合進細菌基因組的原噬菌體進行沉默,并在合適的條件下將原噬菌體激活發揮重要作用。在對數生長期,每個細菌細胞內約含10000-20000H-NS蛋白,可與DNA上富含AT的區域結合,進而沉默原噬菌體。但不同種類細菌的H-NS如何感知外界環境信號的變化,實現對特定原噬菌體的沉默與激活,一直是細胞生物學、遺傳學、結構生物學研究的熱點和難點。 

              劉曉曉等研究發現希瓦氏菌中的H-NS通過識別噬菌體的切離酶對原噬菌體進行沉默,H-NS蛋白的磷酸化是沉默原噬菌體的關鍵。常溫下,細胞內大部分H-NS蛋白為磷酸化狀態,磷酸化H-NS可沉默原噬菌體上具細胞毒性基因的表達;低溫促進H-NS去磷酸化,改變H-NSDNA的結合方式,解除H-NS對特定原噬菌體的沉默,幫助希瓦氏菌適應低溫環境。這是首次發現,細菌將外界溫度變化轉化為細胞內H-NS蛋白磷酸化水平的變化,說明H-NS蛋白的翻譯后修飾可作為分子開關,實現對特定原噬菌體沉默-激活的精準調控。研究結果對于我們理解細菌如何沉默外源基因并將其整合進宿主中以及細菌與噬菌體的共進化過程提供了新的認識。 

              研究工作得到國家杰出青年科學基金、基金委水圈微生物重大研究計劃重點項目、國家重點研發計劃、南方海洋科學與工程廣東省實驗室(廣州)重大專項等團隊項目的資助。 

              相關論文信息: https://academic.oup.com/nar/advance-article/doi/10.1093/nar/gkab137/6163094?guestAccessKey=dcc98bda-2321-4ecf-9519-5797fd35deb2 

            宿主H-NS蛋白對原噬菌體CP4So“沉默-激活的精確調控機制

             

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