今天要和大家分享的主題是由普林斯頓大學(xué)分子生物學(xué)系Tianero, M.D.等研究人員發(fā)表在Nature Microbiology的“Localized production of defence chemicals by intracellular symbionts of Haliclona sponges”文章。作者通過MMI CellCut PLus激光顯微切割技術(shù)、二代測序技術(shù)、流式分選技術(shù)及FISH技術(shù)等做了一個有趣的研究，在含有renieramycin生物堿的海綿Haliclona sp.中發(fā)現(xiàn)能產(chǎn)生renieramycin生物堿的共生菌Candidatus Endohaliclona renieramycinifaciens（Ca. E.?renieramycinifaciens）。值得注意的是，共生菌Ca. E.?renieramycinifaciens已經(jīng)經(jīng)歷了極端的基因組減少，它幾乎失去了自由生活所需的所有元素，同時保持了一個復(fù)雜的、質(zhì)粒編碼的多拷貝renieramycin生物堿生物合成基因簇。共生菌Ca. E.?renieramycinifaciens存在于海綿以前未經(jīng)鑒定的細(xì)胞庫（化學(xué)細(xì)菌細(xì)胞）中，它產(chǎn)生的renieramycin生物堿為宿主提供一種抵御捕食和微生物感染的化學(xué)防御手段。這種共生關(guān)系在Haliclona海綿的一個分支中具有高度的特異性。
 
海洋海綿是微生物多樣性最豐富的后生動物宿主之一。它們被認(rèn)為是最原始的生物，是研究微生物與宿主相互作用的良好模型系統(tǒng)。海綿中的共生菌會產(chǎn)生許多具有不同生物活性的復(fù)雜代謝產(chǎn)物，其中包括未被充分研究的海綿代謝產(chǎn)物renieramycin生物堿。迄今為止，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了約30種renieramycin生物堿，它們發(fā)揮了廣泛的抗微生物和細(xì)胞毒性活性，這些活性在生態(tài)和治療上都具有重要意義。從生物合成的角度來看，對renieramycin生物堿的了解還很少。renieramycin生物堿核心結(jié)構(gòu)類似于四氫呋喃類的黃霉素，由于其組分較為廣泛，引發(fā)了作者的研究興趣，想確定最原始的后生動物：海洋海綿中的renieramycin生物堿生產(chǎn)的來源和分子基礎(chǔ)。

首先，作者收集了四種來自不同太平洋地區(qū)不同年份和地理位置的含renieramycin生物堿的Haliclona海綿樣品：Ren-Pal-02（帕勞，2002年），Ren-PNG-07060，RenPNG-07113（巴布亞新幾內(nèi)亞，2007）和Ren-Bali-16-03（巴厘島，2016）。通過高效液相色譜結(jié)合高分辨率串聯(lián)質(zhì)譜（HPLC-HR-MS / MS）和核磁共振（NMR）化學(xué)分析驗證了這些海綿中確實存在renieramycin生物堿。然后通過18S rRNA測序，確定了4種海綿具有較高的同源性（99.9％）。隨后通過對4種海綿進(jìn)行宏基因組測序分析，發(fā)現(xiàn)在海綿微生物中存在renieramycin生物堿生物合成基因簇（BGC），并進(jìn)一步通過驗證了ren（renieramycin生物堿生物合成基因簇，renieramycin BGCs）參與renieramycin的生物合成。

在發(fā)現(xiàn)了具有明顯細(xì)菌起源的ren之后，作者試圖進(jìn)一步找出其基因組中含有ren的微生物組的成員，且該成員負(fù)責(zé)renieramycin生物堿的生產(chǎn)。通過對宏基因組的分析，發(fā)現(xiàn)ren存在于所有四個樣品基因組中的一個小的細(xì)菌質(zhì)粒上：p-ren。通過對宏基因組的分析發(fā)現(xiàn)有一個細(xì)菌染色體在序列保守性水平、覆蓋率和GC含量上與p-ren相似，并把這種細(xì)菌命名為Ca. E.?renieramycinifaciens。通過流式分選海綿勻漿的細(xì)胞，將細(xì)胞分類為不同大小的細(xì)胞（P3-P10）,分別提取DNA進(jìn)行16s rRNA測序，并對P4和P7到P10進(jìn)行宏基因組測序。對測序結(jié)果進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)Ca. E.?renieramycinifaciens和p-ren主要富集在比較大顆粒的細(xì)胞中，且在五個分區(qū)的基因組中，Ca. E.?renieramycinifaciens染色體和p-ren呈強正相關(guān)。進(jìn)一步通過熒光原位雜交（FISH）和顯微鏡成像證明了Ca. E.?renieramycinifaciens是一種細(xì)胞內(nèi)共生體，僅存在于大型海綿細(xì)菌細(xì)胞（sponge bacteriocyte）中。

盡管流式細(xì)胞術(shù)、細(xì)胞分類和宏基因組結(jié)合分析為p-ren與Ca. E.?renieramycinifaciens染色體的共域化提供了有力的支持，并且從顯微鏡下發(fā)現(xiàn)Ca. E.?renieramycinifaciens存在于特殊的海綿細(xì)菌細(xì)胞中，但還不足以說明Ca. E.?renieramycinifaciens中帶有p-ren。因此作者試圖進(jìn)行最后一個實驗，確定p-ren到Ca. E.?renieramycinifaciens的位置。

借助易于識別的大海綿細(xì)菌細(xì)胞的球形形狀，使用MMI CellCut PLus激光捕獲顯微切割（LCM）從稀釋的Ren-Bali-16-03海綿勻漿中分離出100個此類單細(xì)胞。然后，從捕獲的細(xì)胞中提取并測序了DNA，并與從捕獲的背景膜中分離出的DNA作為對照進(jìn)行了比較，分析了它們的宏基因組。結(jié)果明確表明Ca. E.?renieramycinifaciens帶有p-ren，并將renieramycin生物堿的產(chǎn)生進(jìn)一步局限在海綿狀細(xì)菌細(xì)胞中。因此，作者提出術(shù)語“化學(xué)細(xì)菌細(xì)胞”來描述海綿細(xì)胞，在該海綿細(xì)胞中，細(xì)胞內(nèi)細(xì)菌共生體會產(chǎn)生化學(xué)防御分子。

最后，作者還根據(jù)16S rRNA基因及宏基因組數(shù)據(jù)的分析，證明了Ca. E.?renieramycinifaciens基因組極度減少，為不能自由生活的專性長期共生體。利用高通量16S rRNA基因測序數(shù)據(jù)和18S rRNA基因序列構(gòu)建的宿主海綿的系統(tǒng)樹比較了不同的海綿，證實了Ca. E.?renieramycinifaciens是一種特異性的海生海綿分支的細(xì)胞內(nèi)共生體，在那里它控制著生物群落，專門生產(chǎn)renieramycin生物堿。

通過作者的研究，可以深刻了解到海綿將重要的結(jié)構(gòu)和防御作用外包給了在其化學(xué)細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)共生的特殊化學(xué)細(xì)菌Ca. E.?renieramycinifaciens。這個例子發(fā)生在最古老的后生動物身上，代表了微生物與宿主相互作用的祖先觀點，并強調(diào)了在海綿體中發(fā)現(xiàn)更多細(xì)胞內(nèi)共生體的重要性。

參考文獻(xiàn)
Tianero, M.D., Balaich, J.N. & Donia, M.S. Localized production of defence chemicals by intracellular symbionts of Haliclona sponges. Nat Microbiol 4, 1149–1159 (2019). https://doi.org/10.1038/s41564-019-0415-8

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