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Oct 07, 2023

Genome von sechs Viren, die Asgard-Archaeen aus der Tiefe infizieren

Nature Microbiology Band 7,

Nature Microbiology Band 7, Seiten 953–961 (2022)Diesen Artikel zitieren

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Asgard-Archaeen sind weltweit verbreitete prokaryotische Mikroorganismen, die mit Eukaryoten verwandt sind; Viren, die diese Organismen infizieren, wurden jedoch nicht beschrieben. Hier charakterisieren wir mithilfe von Metagenomsequenzen, die aus hydrothermalen Tiefseesedimenten gewonnen wurden, sechs relativ große (bis zu 117 kb) doppelsträngige DNA (dsDNA)-Virusgenome, die zwei Archaeenstämme von Asgard, Lokiarchaeota und Helarchaeota, infizierten. Diese Viren kodieren für Caudovirales-ähnliche Strukturproteine ​​sowie für Proteine, die sich von denen unterscheiden, die in bekannten Archaeenviren beschrieben werden. Ihre Genome enthalten etwa 1–5 % der Gene, die mit eukaryotischen nukleozytoplasmatischen großen DNA-Viren (NCLDVs) assoziiert sind, und scheinen zur halbautonomen Genomreplikation, Reparatur, epigenetischen Modifikation und Transkriptionsregulation fähig zu sein. Darüber hinaus können Helarchaeota-Viren ähnlich wie eukaryontische Viren die Ubiquitinsysteme des Wirts kapern. Die Genomanalyse dieser Asgard-Viren zeigt, dass sie sowohl Merkmale prokaryotischer als auch eukaryotischer Viren aufweisen, und liefert Einblicke in ihre potenziellen Infektions- und Wirtsinteraktionsmechanismen.

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Die mit der Studie verbundenen Genomsequenzen wurden im NCBI unter BioProject PRJNA692327 hinterlegt.

Alle benutzerdefinierten Skripte, Alignments und phylogenetischen Baumdateien wurden unter https://github.com/bakermicrolab/asgardviruses verfügbar gemacht.

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Diese Arbeit wurde durch Zuschüsse des Moore-Simons-Projekts zum Ursprung der eukaryotischen Zelle (Zuschuss der Simons Foundation 73592LPI; https://doi.org/10.46714/735925LPI; BJB) und des Simons Foundation Early Career Award (687165, BJB) unterstützt ). Wir danken D. Tamarit und T. Ettema für Diskussionen über diese Forschung; AP Teske (Department of Marine Sciences, University of North Carolina at Chapel Hill, Chapel Hill, NC, USA) für die Bereitstellung der Sedimente aus dem Guaymas-Becken.

Marguerite V. Langwig

Aktuelle Adresse: Abteilung für Bakteriologie und Abteilung für Integrative Biologie, University of Wisconsin-Madison, Madison, WI, USA

Abteilung für Meereswissenschaften, Universität von Texas in Austin, Port Aransas, TX, USA

Ian M. Rambo, Marguerite V. Langwig, Peter Lion, Valerie De Anda und Brett J. Baker

Abteilung für Integrative Biologie, University of Texas at Austin, Austin, TX, USA

Brett J. Baker

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VDA und BJB konzipierten das Projekt. IMR, VDA und MVL haben die Daten kuratiert. BJB hat Fördermittel eingeworben. IMR, VDA und PL führten die Untersuchungen durch. IMR, VDA und BJB haben die Methodik entwickelt. BJB und VDA verwalteten und überwachten das Projekt. BJB hat Ressourcen erworben. IMR, VDA und PL erstellten die Visualisierungen. IMR, VDA, MVL und BJB haben den Originalentwurf verfasst. IMR, VDA, MVL, PL und BJB haben das Manuskript überprüft und bearbeitet.

Korrespondenz mit Brett J. Baker.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

Nature Microbiology dankt Susanne Erdmann, Hiroyuki Ogata und den anderen, anonymen Gutachtern für ihren Beitrag zum Peer-Review dieser Arbeit. Peer-Reviewer-Berichte sind verfügbar.

Anmerkung des Herausgebers Springer Nature bleibt hinsichtlich der Zuständigkeitsansprüche in veröffentlichten Karten und institutionellen Zugehörigkeiten neutral.

a, Genomarchitektur des vollständigen Helarchaeota-Virus Nidhogg Meg22_1012. Von außen nach Mitte: im Haupttext beschriebene Gene, Gene mit nicht im Haupttext beschriebenen Homologen, hypothetische Proteine, GC-Gehalt, Genomgrößenlineal. Nach links zeigende Pfeile geben die (-) Richtung an, während die nach rechts zeigenden Pfeile die (+) Richtung anzeigen. b, Strukturen der linearen Fenrir-, Sköll- und Ratatoskr-Genome. Die Sequenzlänge wird durch das Maß auf der x-Achse angegeben. Gene mit hypothetischen Produkten haben keine Markierung und sind grau gefärbt. Die Übereinstimmungspositionen der CRISPR-Abstandshalter werden durch vertikale Balken hervorgehoben, deren Farbe 0 oder 1 Fehlanpassungen in der Ausrichtung darstellt.

Medianwert (Asgard-Virus = 89.108 / Archaea-Virus = 35.450); Mindestwert (Asgard-Virus = 39.909 / Archaea-Virus = 5.278); Maximalwert (Asgard-Virus = 117.419 / Archaea-Virus = 103.257); Archaea-Virus-Ausreißer = 143.855. Daten und Code für diese Abbildung sind unter https://github.com/bakermicrolab/asgardviruses verfügbar.

Die y-Achse gibt die durchschnittliche Lesetiefe für einen Contig innerhalb seiner jeweiligen Stichprobe an, wobei jeder Asgard-Host auf der x-Achse angezeigt wird. Jeder Punkt auf der x-Achse enthält zwei Box-and-Whisker-Diagramme, die die durchschnittliche Lesetiefe für verknüpfte Virus-Contigs (links) und Host-Contigs (rechts) angeben. Datenpunkte stellen Mittelwerte dar. Die taxonomische Zuordnung wird durch die Farbe der Punkte und/oder des Kästchens gekennzeichnet. Die durchschnittliche Lesetiefe wurde für jeden Contig anhand von Lesevorgängen aus derselben Stichprobe berechnet, die beim Zusammenbau verwendet wurde. Helarchaeota Meg19_1012_Bin_504 (Virus: n = 3, min=25,52, max=173,4, mittel=32,50; MAG: n = 170, min=9,12, Mittelwert=56,58, max=81,45, SD = 5,8, 1. Quartil=54,9, 3. Quartil =58,9), Lokiarchaeota Meg22_1012_Bin_233 (Virus: n = 1, 77,5; MAG: n = 94, min=6,16, Mittelwert=37,3, max=202,9, SD = 24,8, 1. Quartil=31,5, 3. Quartil=34,3), Lokiarchaeota Meg22_1214_ Bin_191 (Virus: n = 1, 17,05; MAG: n = 246, min=8,1, Mittelwert=44,8, max=1253, SD = 95,6, 1. Quartil=29,7, 3. Quartil=39,7), Lokiarchaeota Meg22_1416_Bin_151 (Virus: n = 1 , 16,32; MAG: n = 217, min=5,9, Mittelwert=17, max=48, SD = 3,7, 1. Quartil=15,7, 3. Quartil=18,5).

Viren werden auf der x-Achse basierend auf ihrem Wirt gruppiert, wobei die NCLDVs in einer eigenen Kategorie enthalten sind. Die y-Achse gibt den Prozentsatz der vorhandenen Gene mit Treffern für NCVOGs an (siehe Methoden). Jeder Punkt in der Grafik repräsentiert ein virales Genom. Bakterielle Viren n = 33442, Mittelwert=2, SD = ± 1,2; Archaeenviren n = 84, Mittelwert = 2,4' SD = ± 1,4; Asgard-Virus n = 6, Mittelwert = 2,2, SD = ± 1,4; Eukaryontisches Virus n = 362, Mittelwert = 36, SD = ± 39; NCLDV n = 149, Mittelwert = 78, SD = 21.

Viren werden auf der Y-Achse basierend auf ihrem Wirt gruppiert, wobei Prozentsätze auf der X-Achse den Anteil der NCVOG-Treffer angeben, die einer bestimmten Funktion zugeordnet sind. In Asgard-Viren gefundene NCVOGs hängen mit der DNA-Replikation, Rekombination und Reparatur oder viralen Strukturproteinen zusammen. Die erste Gruppe von NCVOGs kommt häufig in Viren vor, die Bakterien infizieren, und kann auch bei Viren beobachtet werden, die andere Archaeengruppen und Eukaryoten infizieren. Die zweite Gruppe von NCVOGs kommt bei anderen Viren nicht so häufig vor, was auf eine ähnliche Struktur von Asgard-Viren und NCLDVs schließen lässt.

Ein phylogenetischer Baum von 241 Desoxynukleotid-/Seitenmonophosphatkinase-Sequenzen von Viren und Bakterien. Kreise auf Zweigen zeigen an, dass BOOSTER ≥70 unterstützt. Die Sequenzen des Lokiarchaeota-Virus Fenrir Meg22_1012 und Meg22_1214 sind in Gold hervorgehoben. Die Phylogenie wurde mithilfe des LG-Modells mit festen Basisfrequenzen und 1000 schnellen Bootstraps abgeleitet.

Ein phylogenetischer Baum von 368 Proteinsequenzen des Ubiquitin-aktivierenden Enzyms (E1) aus Archaeen, Bakterien, Eukaryoten und Viren (Taxa sind mit Hintergrundfarben gekennzeichnet). In Nidhogg-Viren wurden drei E1-ähnliche Proteinsequenzen identifiziert, die mit schwarzen Kreisen und fettem Text gekennzeichnet sind. Gewölbte Linien zeigen die Verbindungen zwischen Nidhogg-Virussequenzen und ihrem Helarchaeota-Wirt. Diese Phylogenie wurde unter Verwendung des LG + R8-Modells mit 1000 ultraschnellen Bootstraps und Optimierung durch Next-Neighbor-Interchange (-bb 1000 -bnni) abgeleitet. Kreise auf Baumzweigen weisen auf ultraschnelle Bootstrap-Unterstützungen ≥95 hin. Der Baum besteht aus Proteinsequenzen, die zur Familie der katalytischen Untereinheiten des NEDD8-aktivierenden Enzyms E1 (n = 11, IPR030468), des Ubiquitin-aktivierenden E1-Enzyms (n = 218, IPR035985) und von NCBI erhaltenen Virussequenzen (n = 14) gehören. und Sequenzen abgeleitet von Lokiarchaeota und Helarchaeota (n = 125).

Erweiterte Datenabbildungen. 1–7, Ergänzungstext und Beschreibung der Zusatzdaten 1–13.

CRISPRDetect-Ergebnisse, einschließlich Spacer- und Wiederholungslängen und -sequenzen sowie CRISPR-Sense; Asgard CRISPR-Spacer BLASTN-Kurzausgang gegen Guaymas-Beckenviren; durchschnittliche Lesetiefe von CRISPR-haltigen Contigs von Asgard MAGs; SpacePHARER-Treffer von Asgard CRISPR-Abstandshaltern zu Guaymas-Becken-UViGs; und CRISPRKlassifizieren Sie die Ergebnisse für Asgard CRISPR-Wiederholungen.

Übersicht über das virale Genom, Asgard MAG GTDBTk-Taxonomie und MAG-Statistiken.

Mindestinformationen zu den Metadaten eines unkultivierten Virusgenoms (MiUViG) für die in dieser Studie beschriebenen Virusgenome.

Virale Annotationen mit VIBRANT, DIAMOND und InterProScan; PhANNs-Klassifizierung; und HHPred-Ergebnisse für wichtige Kapsidproteine, vorhergesagt mit PhANNs.

Supplementary_Data_5_Fenrir_Meg22_1012_226.pdf. Visualisierung der Abdeckung durch das Lokiarchaeota-Virus Fenrir Meg22_1012_scaffold_226 basierend auf Lesekartierung anhand der Meg22_1012-Probe, durchgeführt mit BWA-MEM v0.7.17 und Samtools v1.11. Visualisiert mit Geneious Version 2022.0 von Biomatters. Supplementary_Data_6_Fenrir_Meg22_1214.pdf. Visualisierung der Abdeckung durch das Lokiarchaeota-Virus Fenrir Meg22_1214_scaffold_313 basierend auf Lesekartierung anhand der Meg22_1214-Probe, durchgeführt mit BWA-MEM v0.7.17 und Samtools v1.11. Visualisiert mit Geneious Version 2022.0 von Biomatters. Supplementary_Data_7_Skoll_Meg22_1214_2849.pdf. Visualisierung der Abdeckung des Lokiarchaeota-Virus Sköll Meg22_1214_scaffold_2849 basierend auf Lesekartierung gegen die Meg22_1214-Probe, durchgeführt mit BWA-MEM v0.7.17 und Samtools v1.11. Visualisiert mit Geneious Version 2022.0 von Biomatters. Supplementary_Data_8_Ratatoskr_Meg22_1012_548.pdf. Visualisierung der Abdeckung mit dem Helarchaeota-Virus Ratatoskr Meg22_1012_scaffold_548 basierend auf Lesekartierung für die Meg22_1012-Probe, durchgeführt mit BWA-MEM v0.7.17 und Samtools v1.11. Visualisiert mit Geneious Version 2022.0 von Biomatters. Supplementary_Data_9_Nidhogg_Meg22_1012_91.pdf. Visualisierung der Helarchaeota-Virus-Nidhogg-Meg22_1012_scaffold_91-Abdeckung basierend auf Lesekartierung gegen die Meg22_1012-Probe, durchgeführt mit BWA-MEM v0.7.17 und Samtools v1.11. Visualisiert mit Geneious Version 2022.0 von Biomatters. Supplementary_Data_10_Nidhogg_Meg22_1214_152.pdf. Visualisierung der Helarchaeota-Virus-Nidhogg-Meg22_1214_scaffold_152-Abdeckung basierend auf Lesekartierung gegen die Meg22_1214-Probe, durchgeführt mit BWA-MEM v0.7.17 und Samtools v1.11. Visualisiert mit Geneious Version 2022.0 von Biomatters.

Sequenzen, die in der Phylogenie der DNA-Polymerase B verwendet werden.

Zugehörigkeitsverhältnisse zur Klassifizierung der viralen Proteinfamilie (VPF) für Asgard-Viren.

InterProScan-Anmerkungen von Asgard-MAGs, die erstmals in dieser Studie detailliert beschrieben wurden, und IMG/M-Anmerkungen aller in dieser Studie verwendeten MAGs.

Nachdrucke und Genehmigungen

Rambo, IM, Langwig, MV, Leão, P. et al. Genome von sechs Viren, die Asgard-Archaeen aus Tiefseesedimenten infizieren. Nat Microbiol 7, 953–961 (2022). https://doi.org/10.1038/s41564-022-01150-8

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Eingegangen: 08. Oktober 2021

Angenommen: 16. Mai 2022

Veröffentlicht: 27. Juni 2022

Ausgabedatum: Juli 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41564-022-01150-8

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