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2019-09-04浏览量:1662

『锐帮读』全基因组测序探究希瓦氏菌中与海绵共生相关的基因

导读

希瓦氏菌(Shewanella)在淡水和海水环境中都广泛存在,有的浮游生长,有的在其他生物体表寄生,人们对与海绵共生的希瓦氏菌的了解还很有限。本文对从潮间带海洋海绵Ophlitaspongia papilla分离出的Shewanella sp. OPT22菌进行了基因组测序,并与其他68个希瓦氏菌的基因组进行比较(包括两株之前报道的与海绵相关的菌Shewanella spongiae KCTC 22492 和Shewanella sp. Alg231_23),探究与海绵共生的希瓦氏菌特征。

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文献ID

题目:Whole-Genome Comparisons Among the Genus Shewanella Reveal the Enrichment of Genes Encoding Ankyrin-Repeats Containing Proteins in Sponge-Associated Bacteria

译文: 希瓦氏菌属全基因组比较揭示海绵相关细菌富集含锚定蛋白重复序列的蛋白编码基因

期刊名:Frontiers in Microbiology

年份:2019   IF:4.259

通讯作者:Anoop Alex和Agostinho Antunes

通讯单位:波尔图大学

 

材料与方法

测序平台:Illumina HiSeq 2500

测序策略:100bp双端测序

组装软件:Velvet v1.2.10

 

研究成果

1、希瓦氏菌属的系统发育

通过BLASTn对测序所得Shewanella sp. OPT22的16S rRNA基因序列进行相似性搜索,找到与其高相关性的菌(表1)。基于16S的进化分析表明从大西洋海绵Ophlitaspongia papilla分离出的Shewanella sp. OPT22菌与从韩国海域海绵分离出的S. spongiae KCTC 22492菌,以及从其他地理位置分离出的海绵、珊瑚相关菌聚在一起(图1)。然而从大西洋的葡萄牙海岸线海绵Spongia officinalis分离的Shewanella sp. Alg231_23菌与阿尔沃兰海200-300米深处分离的S. woodyi ATCC 51908菌聚在一起(图1)。

 

基于全基因组的系统发生树,Shewanella sp. Alg231_23和S. woodyi ATCC 51908依然聚在一起,而Shewanella sp. OPT22 和S. spongiae KCTC 22492聚在一起(图2)。平均核酸一致性分析(ANI)也证明了Shewanella sp. Alg231_23和S. woodyi ATCC 51908近的进化关系(ANI值达到97%)。本研究中的Shewanella sp. OPT22菌序列显示它可能是一个接近于S. irciniae的新菌。

 

表1 与Shewanella sp. OPT22 16S rRNA基因序列一致性较高的菌

图1 基于16S rRNA基因序列的希瓦氏菌的系统发育树

 

图2 基于全基因组序列的系统发育树

 

2、海绵相关希瓦氏菌的基因组鉴定

Shewanella sp. OPT22基因组进行组装,共得到69个contigs,染色体基因组大小在4.4 Mbp,具有低的GC含量(39.6%)(图3A)。组装的基因组接近完整(93.6%),可能有轻度的污染,该基因组包含3971个基因,其中3840个编码蛋白质,108个编码RNA。三种菌(Shewanella sp. OPT22,S. spongiae KCTC 22492和Shewanella sp. Alg231_23)的详细基因组特征列在表2中。

 

比较三个海绵相关的希瓦氏菌COG,发现COG‘C’(能量生成和转化),‘E’(氨基酸运输和代谢),‘G’(碳水化合物运输和代谢),‘H’ (辅酶运输和代谢),‘K’(转录),‘M’(细胞壁/膜生物合成),‘O’(转录修饰,蛋白质转换,分子伴侣),‘P’(无机离子运输与代谢),‘Q’(次级代谢产物合成、运输、分解),‘R’(大致功能预测),‘S’(未知功能),and ‘T’(信号转导机制)在Shewanella sp. Alg231_23中显著提高(图4)。这种趋势考虑到Shewanella sp. Alg231_23(5.8 Mbp)比Shewanella sp. OPT22(4.4 Mbp)和S. spongiae KCTC 22492(4.9 Mbp)具有更大的基因组。许多证据表明,功能基因含量与基因组大小相关,负责调控和次生代谢的基因在较大基因组中不成比例地富集。COG功能基因在两个相近的海绵相关菌Shewanella sp. OPT22 和S. spongiae KCTC 22492中分布较一致。

 

图3 与海绵相关的希瓦氏菌染色体圈图。(A) Shewanella sp. OPT22 (B) S. spongiae KCTC 22492

 

表2 三个海绵相关希瓦氏菌的基因组特征


图4 COGs在三株希瓦氏菌中的相对丰度

 

3、预测的与海绵成功共生相关的希瓦氏菌基因结构

Shewanella sp. OPT22基因组编码类真核蛋白(eukaryotic-like proteins,ELPs)序列,比如锚定蛋白重复序列(ANKs),tetratricopeptide repeat(TPRs)以及Sel1重复序列。ELPs(共生因子)通常在病源和共生菌中检测到,在宿主细胞内存在,通过干扰宿主蛋白与蛋白的相互作用致病。本研究中海绵相关Shewanella sp. OPT22检测到大量含锚蛋白重复序列 (ANKs, n=45; p<0.01)的蛋白,而其他菌的ANKs少于10个(六个菌没有检测到ANKs)(图5),Shewanella sp. OPT22中ANKs的过表达可能是该细菌海绵与生活方式相关的一个关键特征。S. spongiae KCTC 22492也具有大量的ANKs(n=52)。Shewanella sp. OPT22和S. spongiae KCTC 22492中的ANKs可能促进宿主免疫逃逸,使菌在海绵宿主中成功定植。有趣的是其他ELPs,比如TPRs和Sel1在本研究纳入的菌中都广泛分布,与分布地点和生活方式无关。

 

另一个海绵相关菌Shewanella sp. Alg231_23,具有低丰度的ANKs(n=4)和Sel1重复序列(n=6),具有高丰度的TPRs(n=41),从鱿鱼中分离的S. woodyi ATCC 51908也有这种趋势(ANKs, n=6; Sel1, n=4; TPRs, n=42)。前面的分析表明Alg231_23在系统进化上更靠近S. woodyi ATCC 51908,而不是OPT22,说明系统进化史对TPRs的丰度有影响,而不是生活方式。不过该结论需要对更多的菌进行分析来确认。

 

图5 希瓦氏菌中检测到的类真核蛋白(eukaryotic-like proteins,ELPs)相对丰度。加粗字体表示与海绵相关的菌。

 

4、分泌系统在希瓦氏菌-海绵共生中的作用

共生菌利用多种方法定植和入侵真核宿主,其中一种特殊的运输系统,即分泌系统(SSs),将蛋白跨膜运输以抑制宿主免疫反应、促进细菌入侵。KEGG分析检测到Shewanella sp. OPT22中编码type III SS (T3SS) (M00332),type IV SS (T4SS) (M00333),type VI SS (T6SS) (M00334)(图6、图7)的基因,表明该菌可能具有将效应/毒力分子注入宿主细胞,建立海绵-菌相互作用的能力。

 

⏩ III型分泌系统

III型分泌系统是一个复杂的机制,为共生菌和致病菌提供了独特的毒力机制,使它们能够将效应蛋白从细菌胞质注入宿主细胞的细胞质/质膜。在Shewanella sp. OPT22基因组中,检测了编码T3SS(非鞭毛T3SS)核心组件(图6A)的基因,以及四拷贝T3SS效应蛋白(T3E)同源分子,类EspA分泌蛋白(pfam03433)和HopW1-1(Hrp外蛋白)。进一步的分析揭示了两种海绵相关细菌Shewanella sp. OPT22和S. spongiae KCTC 22492的T3SS基因簇的同源性(图6A)。

 

⏩ VI型分泌系统

VI型分泌系统(T6SS)在革兰氏阴性菌中广泛分布,与致病性、种内和种间竞争、细菌通讯(群体感应)和生物膜形成相关。在Shewanella sp. OPT22的基因组中,检测到一个21 Kbp的T6SS基因簇,预测该基因簇编码13个核心T6SS蛋白(图6B)。对于S. spongiae KCTC 22492,T6SS相关基因位于两个大小不同的T6SS-I (18 Kbp) 和T6SS-II (23 Kbp)基因簇中(图6B)。T6SS-I 和T6SS-II编码核心T6SS蛋白,可以表达完整的T6SS。T6SS基因簇在Shewanella sp. OPT22和S. spongiae KCTC 22492中是保守的,两个海绵相关Shewanella spp.均编码可能具有效应功能的hcpI (COG3157)和vgrG (COG3501)基因。

 

图6 Shewanella sp. OPT22和S. spongiae KCTC 22492中检测到的主要分泌系统

 

⏩ IV型分泌系统以及ANKs在海绵相关希瓦氏菌基因岛的位置

T4SS与细菌接合系统同源,具有重要的生物学功能,即DNA交换介导水平基因转移(HGT)及蛋白、蛋白-DNA复合体、效应/毒力分子转移到目标细胞。Shewanella sp. OPT22的T4SSs位点编码同源的毒力基因:virB2(K03197), virB3 (K03198), virB4 (K03199), virB5 (K03200), virB6(K03201), virB8 (K03203), virB9 (K03204), virB10 (K03195), virB11(K03196)和virD4 (K03205)(图7B)。这些VirB蛋白由virB操纵子合成,形成跨越细胞膜的菌毛和转移通道,它还可能通过促进表面粘附、定植和生物膜的形成,促进发病机制/共生。有趣的是,T4SS位于Shewanella sp. OPT22的一个45 Kbp基因岛(图7A,B),基因岛具有删除、复制、接合转移、整合到受体菌染色体的能力。

 

另一个海绵相关菌S. spongiae KCTC 22492具有多重T4SS基因簇,每个基因簇具有十个或更多基因(图7C)。据报道,专性胞内寄生的Rickettsia spp.基因组携带多个T4SS基因簇,簇两侧是整合酶或tRNA基因,代表残留的基因岛,然而在S. spongiae KCTC 22492的T4SS基因簇两侧没有观察到整合酶或tRNA基因,虽然没有检测到基因岛型T4SS,但在S. spongiae KCTC 22492的GIs中,存在7个编码类锚蛋白结构域的基因(图3B)。据报道,在专性细内寄生菌Babela massiliensis(寄生在Acanthamoeba castellaniiparasiti中),Orientia tsutsugamushi(寄生在trombiculid mites中),Burkholderia cenocepacia的GIs中,宿主-寄生菌相互作用相关的ANKs编码基因富集。在海绵相关的Shewanella spp.的GIs中检测到ANKs,清楚地表明获得了某些适应性特征,例如细菌对宿主免疫的逃逸,从而提高了在海绵宿主中存活的机率。然而,另一种海绵相关菌Shewanella sp. Alg231_23的GIs没有编码任何预测的ANKs,表明可能通过海绵相关的菌(Shewanella sp. OPT22 和S. spongiae KCTC 22492)中的HGT获得了一些ANKs。

 

图7 基因岛和IV型分泌系统

 

研究结论

1. 展示了两个与海绵相关的希瓦氏菌OPT22和KCTC 22492的特异性基因簇;

2. 编码含锚定蛋白重复序列的蛋白的基因丰度对逃避宿主免疫反应有作用,其中OPT22(ANKs; n=45)和KCTC 22492(ANKs; n=52);

3. 位于基因岛的ANKs提示水平基因转移在提高共生菌的生态适应性方面的作用;

4. 一些SS组件/效应蛋白作为毒力因子调节细菌与宿主的相互作用。

 

亮点

1. 通过对从海绵中分离出的Shewanella sp. OPT22菌进行了全基因组测序,并与其他Shewanella进行系统发育树分析,提示系统发育与生活方式的关系。

2. 预测了Shewanella菌中与海绵共生相关的基因结构,包括III型分泌系统、IV型分泌系统、VI型分泌系统,以及锚定蛋白重复序列(ANKs)。

 

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