Nature颠覆发现:病毒也有CRISPR样系统,基因编辑家族或添“新成员”!
2016/03/04
2月29日,发表在《自然》杂志上的一项研究中,法国科学家们报告称,巨型病毒mimiviruses拥有类似细菌CRISPR系统一样的抵御入侵的防御系统。研究人员表示,mimiviruses中发现的这一免疫系统进一步证实了这种巨型病毒可能是一种新的生命分支。


2月29日,发表在《自然》杂志上的一项研究中,法国科学家们报告称,巨型病毒mimiviruses拥有类似细菌CRISPR系统一样的抵御入侵的防御系统。研究人员表示,mimiviruses中发现的这一免疫系统进一步证实了这种巨型病毒可能是一种新的生命分支。

Mimiviruses有何不同?

Mimiviruses很大,直径约半微米,是艾滋病毒、流感病毒的4倍多,在光学显微镜下可见。它们的基因组比一些细菌还大;与大多数病毒不同,它们拥有能够产生氨基酸、DNA碱基和复杂蛋白的基因。领导该研究的法国Aix-Marseille大学的微生物学家Didier Raoult说:“这意味着它们模糊了病毒和细菌之间的界限。”论文的共同领导者Bernard La Scola表示,他不认为Mimiviruses是一种典型的病毒,反而更像原核生物。

日前,Didier Raoult作为通讯作者在《Current Opinion in Microbiology》发表题为“Mimivirus inaugurated in the 21st century the beginning of a reclassification of viruses”的文章。文章详细介绍了巨型病毒与传统病毒的区别。[文献]


巨型病毒区别与其它病毒的主要特点

长达24年的发现过程

事实上,这一发现最早可追溯到1992年。当时Raoult和La Scola在研究冷却塔内发现的变形虫(amoebas),它们被一种很大的微生物感染,研究者们最初以为是一种细菌。不过,最终在2003年,科学家们确定了它们是一种巨型病毒,也就是文章的主角“mimivirus”。

随后,这种巨型病毒家族很快浮出水面,包括巴黎冷却塔中发现的mamavirus、3万年 Russian ice中发现的Pithovirus以及智利沿海水域中发现的Megavirus和Pandoravirus。这些巨型病毒大部分会感染amoebas,在宿主中建立“病毒工厂”,自我复制。不过,它们也会被其它病毒困扰。

2008年,Raoult和La Scola发现,被Mamavirus感染的amoebas同时还携带着一个小病毒。这个“小病毒”攻击竟是Mamavirus的“病毒工厂”。当它出现的时候,Mamavirus复制缓慢、组装异常,且复制后的下一代感染amoebas能力变弱。团队将这种“小病毒”命名为virophage。

第一个被发现的virophage叫做Sputnik,随后科学家们还相继发现了Maverick、Organic Lake、Sputnik 2、Arabic。Zamilon是Virophage家族最新的一个成员。2014年,Raoult和La Scola发现,Zamilon只能够寄生感染Mimivirus家族中的某些分支;而在这3种分支中,其中一种(lineage A)对Zamilon免疫。


找到类似CRISPR的防御系统:MIMIVIRE

Raoult推测,Mimivirus对Zamilon的自我保护可能是由于其含有类似CRISPR一样的防御系统。Raoult说:“巨型病毒与virophages之间的战争就像细菌与病毒之间的战争。当时,Bernard并不同意这一想法,因此我们互相竞争,寻找答案。”

为了验证这一猜测,科学家们分析了60种mimivirus病毒株的基因组,寻找与Zamilon匹配的序列。结果发现,能够抵御Zamilon感染的Mimiviruses拥有与之相匹配的DNA短链。此外,在这些序列附近,研究人员发现了一些基因,它们能够编码降解DNA的酶。在CRISPR系统中,编码Cas酶的基因也在识别病毒的序列附近。

研究还发现,阻断这一CRISPR样系统中的不同组件,会使得mimiviruses更易受到Zamilon的攻击。研究者们将这一类似CRISPR的系统命名为MIMIVIRE。Raoult认为,尽管将mimiviruses归为细菌、古细菌和真核生物之外的第四类生命体仍有争议,但他们发现的这一防御系统进一步支撑这一观点。

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    Since their discovery, giant viruses have revealed several unique features that challenge the conventional definition of a virus, such as their large and complex genomes, their infection by virophages and their presence of transferable short element transpovirons1, 2, 3, 4, 5. Here we investigate the sensitivity of mimivirus to virophage infection in a collection of 59 viral strains and demonstrate lineage specificity in the resistance of mimivirus to Zamilon6, a unique virophage that can infect lineages B and C of mimivirus but not lineage A. We hypothesized that mimiviruses harbour a defence mechanism resembling the clustered regularly interspaced short palindromic repeat (CRISPR)-Cas system that is widely present in bacteria and archaea7, 8, 9, 10. We performed de novo sequencing of 45 new mimivirus strains and searched for sequences specific to Zamilon in a total of 60 mimivirus genomes. We found that lineage A strains are resistant to Zamilon and contain the insertion of a repeated Zamilon sequence within an operon, here named the ‘mimivirus virophage resistance element’ (MIMIVIRE). Further analyses of the surrounding sequences showed that this locus is reminiscent of a defence mechanism related to the CRISPR–Cas system. Silencing the repeated sequence and the MIMIVIRE genes restores mimivirus susceptibility to Zamilon. The MIMIVIRE proteins possess the typical functions (nuclease and helicase) involved in the degradation of foreign nucleic acids. The viral defence system, MIMIVIRE, represents a nucleic-acid-based immunity against virophage infection.

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