肠道噬菌体组生物信息学分析方法的研究进展

噬菌体是感染细菌的病毒,广泛存在于各类环境中。由于传统实验研究的局限性及噬菌体基因的特异性,导致对肠道噬菌体的研究很少。随着宏基因组测序技术的发展和各种生物信息分析软件的开发,可以通过噬菌体组学,加深对肠道噬菌体的认识。噬菌体组分析流程主要包括原始数据质量控制和预处理,病毒基因组序列的拼接组装,类病毒颗粒的筛选和系统分类注释以及进化分析和预测相应宿主细菌。本文对噬菌体组分析流程和其中所需要的常用生物信息分析工具和数据库进行详细的介绍,可以为肠道噬菌体研究以及相关的研究人员提供参考。     

基于全基因组序列比对的大肠杆菌噬菌体侵染能力分析

迄今,在NCBI基因组数据库中大肠杆菌及其噬菌体的全基因组序列数量众多,这些大数据足以让我们基于全基因组序列比对研究大肠杆菌噬菌体侵染能力及宿主的抗感染能力。目前还未见大肠杆菌噬菌体侵染能力的相关报道。本研究为研究噬菌体侵染能力及其专一性提供数据。从NCBI数据库中下载大肠杆菌进化树上的代表菌株及全部的大肠杆菌噬菌体基因组序列,采用Blast软件进行序列比对,找出噬菌体与宿主的一一对应关系,再通过R语言等相关软件分析噬菌体对不同大肠杆菌宿主的侵染能力。在35个大肠杆菌噬菌体中,Escherichia phage HK75等四株噬菌体的侵染能力最强,Escherichia phage PhaxⅠ和Escherichia phage v B_Eco M_CBA120的侵染能力比较弱。在44个大肠杆菌代表株中,Escherichia coli strain400791、Escherichia coli M605的易感能力较强,Escherichia coli MS 84-1的抗噬菌体能力较强。本研究首次利用全基因组序列比对的方法分析了噬菌体对宿主的侵染能力,为噬菌体侵染能力研究提供参考数据。     

前噬菌体研究进展

噬菌体是地球上最多的生物实体,一直被认为是细菌的天敌。然而随着基因组学和分子生物学等技术的快速发展,人们发现噬菌体与宿主之间存在微妙而复杂的关系。前噬菌体是指溶原性细菌内存在的整套噬菌体DNA基因组,广泛分布在细菌基因组中,对调节细菌宿主生理具有重要作用,如参与调节宿主的毒力、影响生物膜形成、赋予宿主免疫力等。有趣的是,前噬菌体可以通过“监听”细菌的群体感应来调节自身的溶原–裂解状态。近年来,一些细菌中由前噬菌体编码的抗CRISPR蛋白的发现引起了人们对前噬菌体研究的关注。因此,对前噬菌体的研究可以为改造宿主和前噬菌体提供基础理论参考。本文对前噬菌体的预测、分布、分类及功能进行了综述,以期为进一步研究噬菌体与宿主间的关系提供基础。     

基于全基因组序列比对的枯草芽孢杆菌噬菌体侵染能力分析

目前,在美国国家生物技术信息中心(NCBI)数据库中已报道数量众多的枯草芽孢杆菌及其噬菌体的全基因组序列,这为我们利用全基因组比对手段研究枯草芽孢杆菌噬菌体的侵染能力提供了数据基础。本研究从NCBI基因组数据库中下载具有完整序列的枯草芽孢杆菌及噬菌体的基因组及相应的蛋白质序列,利用BLAST软件进行基因组序列比对,得出枯草芽孢杆菌与噬菌体之间的关系。通过利用R语言等软件对噬菌体侵染枯草芽孢杆菌的能力进行分析。然后利用Clustalx和Treeview软件构建进化树,得出枯草芽孢杆菌之间的亲缘性关系,最后对枯草芽孢杆菌蛋白质进行COG注释。结果表明:在65株枯草芽孢杆菌噬菌体中,Bacillus_phage_SPBc2和Bacillus_phage_ph IS3501的侵染能力最强,而Bacillus_phage_phi AGATE等3株噬菌体的侵染能力较弱。在37株枯草芽孢杆菌中Bacillus subtilis ATCC 49760的易感性较强,Bacillus subtilis RO-NN-1等8株对枯草芽孢杆菌噬菌体的抗性较强。本研究利用基因组比对的方法对枯草芽孢杆菌噬菌体侵染宿主的能力以及枯草芽孢杆的蛋白质功能进行了分析,为后续进一步研究枯草芽孢杆菌噬菌体侵染能力及其蛋白质功能提供参考。     

噬菌体编码的抑菌蛋白

噬菌体是细菌的天敌,它利用宿主的细胞机制完成自身的复制。在感染过程中噬菌体基因组进入细菌细胞后立即产生调节或重新定向宿主特定功能的蛋白质(即抑菌蛋白),以逃避多种细菌的防御机制或改变宿主的分子代谢机制。研究发现,这些噬菌体编码的抑菌蛋白可抑制细菌分裂,干扰细菌遗传物质的复制、转录及降解,影响CRISPR介导的细菌免疫以及代谢。明确噬菌体编码的抑菌蛋白如何影响这些宿主的防御或分子代谢机制可以优化目前基于噬菌体的抗菌策略,找出控制细菌感染的新途径,为抑菌药物的发现和设计打开新的大门。本文就近年来发现的噬菌体编码的抑菌蛋白及其抑菌机制的研究进展进行综述。     

假单胞菌噬菌体基因组学研究进展

假单胞菌属(Pseudomonasspp.)是地球上重要的生态菌群之一,广泛分布于淡水、土壤等生态环境。假单胞菌噬菌体是以假单胞菌为宿主的病毒,不仅影响宿主的生存状况和进化过程,而且在生物物质循环和能量流动中扮演着重要角色。随着基因组测序技术的飞速发展,许多假单胞菌噬菌体的全基因组测序工作已经完成。截至2020年7月,GenBank收录的假单胞菌噬菌体基因组数有247条,占全部病毒基因组(10,069条)的2.45%。由于假单胞菌噬菌体基因组大小差异较大、遗传含量不同、基因组之间相似性较低,因此对假单胞菌噬菌体基因组的研究相对较少。本文主要对假单胞菌噬菌体基因组的特点、遗传多样性和功能基因方面的研究进行了综述,以期为理解细菌和噬菌体的对抗性共进化作用以及噬菌体的遗传进化提供参考。     

短尾噬菌体识别宿主机制的研究进展

噬菌体可以作为抗生素的替代物,用于致病菌的防控和治疗。有尾噬菌体是最常见的噬菌体类型,可以根据尾部形态的不同分为短尾噬菌体、肌尾噬菌体和长尾噬菌体3类。不同噬菌体间不仅具有明显的形态差异,其对宿主细菌的识别机制也不相同。短尾噬菌体由于其较小的基因组长度和相对简单的结构组成,成为研究宿主与噬菌体的共进化关系、以及通过基因工程改造噬菌体的良好模型。本文综述了短尾噬菌体的分类特征及不同短尾噬菌体识别宿主受体的分子机制。通过明确短尾噬菌体的识别宿主机制,有助于对相应噬菌体进行工程化改造,解决噬菌体应用中存在的关键问题,使噬菌体更广泛地应用于生物、医学与食品工业等领域中。     

细菌毒素-抗毒素系统在噬菌体流产感染中的作用北大核心CSCD

细菌常受到数量众多的噬菌体感染,宿主细菌在和噬菌体竞赛中进化出多样化的分子策略,流产感染(abortive infection,Abi)是其中之一。毒素-抗毒素系统(toxin-antitoxin system,TA)会在细菌受到压力胁迫时表达并介导细菌的低代谢甚至休眠,还能直接减少子代噬菌体形成。此外,部分毒素序列和结构与Cas蛋白高度同源,噬菌体甚至会编码抗毒素类似物来阻遏对应毒素的活性。这表明流产感染中细菌死亡过程导致的噬菌体感染失败与TA功能高度重合,TA可能是噬菌体侵染宿主的主要阻力和防御力量之一。文中基于TA系统的分类和功能,对参与噬菌体流产感染的TA系统进行了综述,并预测具有流产功能的TA系统和其在抗生素开发和疾病治疗中的应用前景。这有助于认识细菌-噬菌体相互作用,并指导噬菌体治疗和合成生物学。     

CRISPR/Cas系统抵抗人类病毒感染的研究进展

CRISPR/Cas系统是细菌抵抗噬菌体感染的一种机制,细菌利用小RNA分子作为引导序列,引导核酸内切酶对噬菌体基因组进行序列特异性的剪切。利用这一特点,CRISPR/Cas已被改造并广泛用于人类细胞的基因编辑。近年来,CRISPR/Cas系统在抵抗人类病毒感染中的应用潜力备受关注。CRISPR/Cas系统可直接剪切病毒基因组,或编辑对病毒复制高度依赖的宿主因子。此外CRISPR/Cas系统还被开发为高度敏感的病毒检测工具。本文就CRISPR在抵抗人类病毒感染方面的研究进展进行综述。     

前噬菌体

随着微生物基因组测序工作的广泛展开,前噬菌体在宿主菌基因组中普遍存在的事实已逐渐为人们所接受.相关研究工作的深入揭示前噬菌体并不只是细菌体内一个简单的寄生体,相反是细菌生理活动相当活跃的参与者,在宿主菌生命活动中发挥着重要的作用.对前噬菌体的深入了解将丰富人们对多种生命现象的认识.本文即是关于前噬菌体的分类、分布、鉴定、进化及其与宿主菌相互作用等知识点的一个简单综述.     

细菌与噬菌体相互抵抗机制研究进展

噬菌体作为一种侵染细菌的病毒,能够特异性识别宿主细菌。近年来,抗生素的过度使用导致耐药细菌的出现,噬菌体有望成为对抗耐药细菌的新武器。在细菌与噬菌体长期共进化过程中,二者都演化出一系列抵御策略。本文从抑制噬菌体吸附、阻止噬菌体DNA进入、切割噬菌体基因组、流产感染以及群体感应对噬菌体的调控等方面,对细菌抵抗噬菌体的机制以及噬菌体应对细菌的策略进行了综述,同时还列举了细菌和噬菌体相互抵抗机制的检测方法,以期为噬菌体在细菌控制中的应用以及探究细菌抵抗噬菌体的机制提供理论依据。     

阪崎肠杆菌噬菌体的分离及其生物学特性

[目的]以阪崎肠杆菌模式菌株及分离菌株为指示菌,从污水中分离出该菌噬菌体,并对其基本生物学特性进行研究.[方法]以双层琼脂法从污水中分离噬菌体,通过同属和同科参考菌株测定噬菌体的特异性和宿主谱;电镜观察噬菌体颗粒形态;随机扩增多态性DNA(RAPD)实验分析噬菌体的分子生物学特性.[结果]从污水中分离得到5株噬菌体,表现出较窄的宿主范围,仅裂解阪崎肠杆菌,以ATCC 51329分离的噬菌体SK2可裂解27株阪崎肠杆菌中的24株(89%),负染经电镜观察,5株噬菌体都是由多面体头部和尾部组成;随机引物(5′-GAAACGGGTG-3′)扩增DNA分析,5株噬菌体DNA明显不同.[结论]分离出的5株噬菌体仅对阪崎肠杆菌敏感,在阪崎肠杆菌的分型、预防、治疗、以及生态环境的净化等方面具有潜在用途.     

Isolation, characterization of bacteriophages specific to Microlunatus phosphovorus and their application for rapid host detection

AIMS: To isolate and characterize lytic-bacteriophages specific to Microlunatus phosphovorus, and prepare fluorescently labelled phages (FLPs) for the rapid detection of the host bacterium in activated sludge. METHODS AND RESULTS: Isolation of bacteriophages lytic to M. phosphovorus was attempted by applying supernatants of activated sludge processes on the lawn of M. phosphovorus JCM9379 for plaque formation. Thirteen bacteriophage isolates were obtained. The restriction fragment length polymorphism analysis distinguished them into two different bacteriophages designated as phiMP1 and phiMP2. They were found to possess double-stranded DNA and host specificity. Morphological observations were done by electron microscopy. The bacteriophage particles stained by SYBR Green I was shown to be applicable to detect their host bacterial cells mixed with activated sludge. CONCLUSIONS: Two M. phosphovorus-specific bacteriophages were isolated and classified as Siphoviridae. FLPs of them were prepared, and successfully applied to detect the host bacterium added into the activated sludge. SIGNIFICANCE AND IMPACT OF THE STUDY: At least some of bacteria in activated sludge are susceptible to their related bacteriophages. Bacteriophages lytic to activated sludge bacteria could be affecting the bacterial population in activated sludge. The FLPs could be used for the easy-rapid detection of their host bacterium in activated sludge.     

噬菌体受体及其鉴定方法

目的噬菌体又称细菌病毒,它可以侵入细菌使细菌裂解。噬菌体受体位于宿主细胞表面,能被噬菌体识别并特异性结合。噬菌体受体多种多样,包括细菌膜蛋白、LPS、磷壁酸,也可以是菌毛、鞭毛、荚膜多糖等。噬菌体在微生态平衡、微生物控制等方面具有重要意义,为了更好地研究噬菌体和挖掘噬菌体潜在价值,确定噬菌体受体是十分关键的一步。本研究就细菌噬菌体受体进行分类介绍,并对噬菌体受体鉴定方法进行总结。     

Campylobacter bacteriophages and bacteriophage therapy

Members of the genus Campylobacter are frequently responsible for human enteric disease with occasionally very serious outcomes. Much of this disease burden is thought to arise from consumption of contaminated poultry products. More than 80% of poultry in the UK harbour Campylobacter as a part of their intestinal flora. To address this unacceptably high prevalence, various interventions have been suggested and evaluated. Among these is the novel approach of using Campylobacter-specific bacteriophages, which are natural predators of the pathogen. To optimize their use as therapeutic agents, it is important to have a comprehensive understanding of the bacteriophages that infect Campylobacter, and how they can affect their host bacteria. This review will focus on many aspects of Campylobacter-specific bacteriophages including: their first isolation in the 1960s, their use in bacteriophage typing schemes, their isolation from the different biological sources and genomic characterization. As well as their use as therapeutic agents to reduce Campylobacter in poultry their future potential, including their use in bio-sanitization of food, will be explored. The evolutionary consequences of naturally occurring bacteriophage infection that have come to light through investigations of bacteriophages in the poultry ecosystem will also be discussed.     

The bacteriophages in human- and animal body-associated microbial communities

Felix d'Herelle first demonstrated, about 90 years ago, the presence of bacteriophages in human and animal body microbiota. Our comprehension of the impact of naturally occurring bacteriophages on symbiotic bacteria, and of their role in general homeostasis of macro-organism, nevertheless remains quite fragmentary. Analysis of data in various human- and animal body-associated microbial systems on phage occurrence, diversity, host specificity and dynamics, as well as host occurrence, specificity and dynamics, suggests that mechanisms which stabilize phage–bacteria coexistence are not identical for either different species or different body sites. Regulation by phage infection instead probably depends on specific physical, chemical and biological conditions, e.g. pH, nutrient densities, host prevalence, relation to mucosa and other surfaces and presence of phage inhibiting substances. In some animal species intestinal bacteriophages thus appear to exert significant selective pressure over at least some resident bacterial populations, resulting in phages playing important roles in the self-regulation of these microbial systems while at the same time contributing to maintenance of bacterial diversity (i.e. 'killing the winner'). Emerging data additionally suggest that bacteriophage particles could play roles in regulating the immune reactions of the macro-organism. Alternatively, for many systems links between phages and community characteristics have not been established.     

工业微生物的噬菌体感染与防治策略

以细菌为基础的生物技术在蓬勃发展的同时也不断受到噬菌体感染的威胁,噬菌体感染已成为微生物发酵过程中的一个顽疾,其实质是噬菌体与细菌之间复杂的共进化关系。在漫长的进化过程中,噬菌体已经形成了多种针对细菌抗性系统的逃逸机制。合理的工厂设计、菌株的轮换策略和传统的基因工程方法能在一定程度上降低噬菌体感染的风险,但仍然无法避免。基于CRISPR-Cas系统的防治策略仅需噬菌体的序列信息就可以理性设计噬菌体抗性菌株,且可以通过叠加效应不断增强菌种抗性,从而避免噬菌体的逃逸;群体感应信号分子则可以从整体水平上调节细菌的噬菌体抗性。这些新发现为噬菌体感染问题的解决带了新的希望,而噬菌体基因组编辑技术和合成生物学的快速发展则将进一步加深人们对噬菌体感染防治领域的认识。     

Bacteriophage-bacteriophage interactions in the evolution of pathogenic bacteria

Many bacteriophages carry virulence genes encoding proteins that play a major role in bacterial pathogenesis. Recently, investigators have identified bacteriophage-bacteriophage interactions in the bacterial host cell that also contribute significantly to the virulence of bacterial pathogens. The relationships between the bacteriophages pertain to one bacteriophage providing a helper function for another, unrelated bacteriophage in the host cell. Accordingly, these interactions can involve the mobilization of bacteriophage DNA by another bacteriophage, for example in Escherichia coli, Vibrio coli and Staphylococcus aureus; the host receptor for one bacteriophage being encoded by another, as found in V. cholerae; and the presence of one bacteriophage potentiating the virulence properties of another bacteriophage, as found in V. cholerae and Salmonella enterica.