深海噬菌体对宿主代谢补偿作用的机制研究

The interactions between deep-sea bacteriophages and their hosts have been a hotspot in marine biology. Our and other studies have revealed that phage encoded functional genes have metabolic compensation for their hosts, which can compensate the lack of hosts’ own metabolism or enhance the hosts’ metabolic efficiency to promote phages and their hosts proliferations. However, most of these studies were based on metagenomics sequencing. Due to the lack of sufficient experimental evidences, the functions of many compensating metabolic genes of deep-sea phages are not yet clear. On the basis of our previous studies, we will use the KEGG database to screen the deep-sea bacteriophage GVE2 and D6E compensated metabolic pathways of Geobacillus sp. E263. And then, we will construct the bacterial metabolic genes mutants and recombinant expression system in G. sp. E263 to explore the functions of phage compensating metabolic genes. We also attempt to establish in vivo reactions of compensating metabolic pathways to further explore the functions of the phage compensating metabolic genes encoded proteins. This project will reveal the mechanisms of deep-sea phages metabolic compensation for their hosts, and help to provide an important basis for exploring the ecological functions of bacteriophages in deep-sea ecosystems.

深海噬菌体与宿主相互作用一直是海洋生物学研究的热点之一。国内外和我们前期的研究表明噬菌体编码功能基因对宿主的代谢具有一定的补偿作用，可以弥补宿主自身代谢能力的不足或加强代谢效率，促进噬菌体与宿主的增殖。然而这些研究大多基于宏基因组测序，大量深海噬菌体补偿代谢基因的功能还不明确，其对宿主代谢补偿的具体机制尚不清楚。本项目拟在前期研究基础上，利用已分离到的深海噬菌体GVE2和D6E及其宿主菌Geobacillus sp. E263，通过KEGG数据库分析噬菌体参与的补偿代谢通路；利用前期研究中建立的方法构建宿主菌代谢基因突变株和重组表达系统，研究噬菌体补偿代谢基因的功能；通过建立补偿代谢通路的体外反应体系，进一步研究噬菌体补偿代谢基因编码蛋白的代谢补偿活性，揭示深海噬菌体对宿主代谢补偿作用的具体机制，为探索噬菌体在深海生态系统中的功能提供科学依据。

本项目利用深海噬菌体GVE2及其宿主菌Geobacillus sp. E263，通过KEGG数据库分析噬菌体参与的补偿代谢通路，发现17条GVE2功能基因参与的宿主代谢通路，其中GVE2-thyA编码的胸苷酸合成酶（TS）对宿主菌dTMP合成具有潜在的代谢补偿作用。进一步研究表明，噬菌体编码的GVE2-thyA表达水平在受感染的宿主菌中显著上升，但宿主自身的Geo-thyA的表达水平无显著变化。通过构建穿梭表达质粒，在未感染的宿主菌中过表达GVE2-TS蛋白可以提高宿主菌的生长速率，表明GVE2可能是通过促进dTMP的合成影响宿主菌的增殖。通过同源重组方法将宿主菌基因组中的Geo-thyA基因序列替换为GVE2-thyA基因序列，获得E263突变株（Geo-thyA-/GVE2-thyA+），发现突变株的生长率、thyA基因表达水平和TS蛋白表达水平显著高于野生型菌株。体外酶活检测发现rGVE2-TS的比活力和高温（80℃）耐受性均显著高于rGeo-TS，表明GVE2-TS蛋白可补偿宿主菌自身Geo-TS蛋白合成dTMP效率低的不足。TS是翻译自调节蛋白，可结合自身mRNA抑制翻译。因此，我们推测GVE2-TS与自身mRNA结合能力较弱，从而提高了dTMP的合成效率。通过凝胶阻滞实验发现，GVE2-TS与自身mRNA的结合能力显著低于Geo-TS，表明GVE2-TS对自身的翻译抑制能力较弱，从而提高了dTMP的合成效率，对宿主菌dTMP合成起到补偿作用。本项目的研究成果揭示了深海嗜热噬菌体GVE2对宿主菌的代谢补偿作用，阐明了噬菌体代谢补偿的分子机制，为探索噬菌体在深海生态系统中的功能提供科学依据。