Current Biology|宏病毒组揭示宿主-病毒种群之间的长期动态关系
病毒是地球上最普遍的生物体，但是，要阐明病毒对微生物群落和相关生态系统过程的影响仍然存在巨大挑战——必须确定明确的宿主-病毒联系。2023年8月发表于《Current Biology》的文献“Long-term CRISPR locus dynamics and stable host-virus co-existence in subsurface fractured shales”，对地下裂缝页岩进行了近800天的采样，开展宏病毒组研究，首先通过CRISPR-Cas阵列中的间隔序列建立强连接，随后揭示复杂的长期宿主-病毒动态。
研究利用不同井龄的宿主-病毒联系的时间模式，系统分析了宿主-病毒共存动力学如何随着时间的推移而发展和收敛，这可能反映了对可以逃避宿主CRISPR-Cas系统的病毒的选择。本研究揭示了宿主-病毒相互作用的复杂性，以及不同微生物群体中CRISPR-Cas防御的长期动态。
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发表期刊：Current Biology
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发表时间：2023
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影响因子：9.2
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DOI: 10.1016/j.cub.2023.06.033
主要结果
1、断裂的页岩生态系统为研究病毒-宿主的时间动力学提供了独特的机会
在美国科罗拉多州的Denver-Julesburg (DJ)盆地，作者对两套水力压裂油气井（井龄3年的“已建”井，“新”井）进行了近800天的流体取样（图1）。
从所有6口井共78个宏基因组中，作者从地下群落中重建了29个门的202个MAGs和2176个> 10 kb的病毒MAGs（vMAGs）。α多样性在所有井中也普遍随着时间的推移而增加，这可能反映了生态位的发展促进了更多样化的分类群。随着时间的推移，新井的微生物群落与老井的微生物群落越来越相似，这可能反映了井生态系统的成熟。
图1 采样方案和方法
（A）按年龄组划分的所有六口井的采样时间点。新井采样方案轴线上200天处的虚线表示规模的变化。（B）概述用于重建代表性宿主和病毒基因组的方法，在MAG和vMAG之间建立联系，并从宏基因组中识别间隔序列，以获得群落层面的见解。（C）用于将CRASS鉴定的间隔序列连接到代表性宿主基因组的方法概述。
2、深层页岩微生物群落中活跃病毒捕食的证据
研究表明，Bray-Curtis不相似值越高，表明群落组成相对于前一个时间点的变化越大。宿主和病毒群落的变化呈强烈的正相关，通常在动态上相互反映（图2）。病毒依赖宿主进行复制，但宿主种群经常受到这种增殖的直接影响。因此，这里观察到的强烈关系表明，宿主和病毒群落在不断变化，病毒可能会捕食发生。此外，与新井相比，在已建立的井中，宿主和病毒群落之间存在更强的关系，这可能反映了缺乏宿主的病毒种群的时间损失以及随后相互依赖的宿主和病毒种群的富集。
图2 宿主（细菌和古菌MAGs）和病毒（vMAGs）群落的时间动力学
宿主（实线）和病毒（虚线）群落随时间的Bray-Curtis群落相异性说明了自前一时间点以来每个群落组成的变化，较大的相异性值表示群落结构的较大变化。Spearman的rho和p值突出了所有井中宿主和病毒种群的时间变化之间的强正相关关系。
3、CRISPR-Cas阵列记录的群落水平对病毒相互作用的响应
本研究从所有78个宏基因组中共回收了918,724个间隔序列。所有6口井的间隔序列数量与时间之间都存在显著的正相关关系（图3）。最后，将这种时间关系与病毒群落不断变化的观察结果联系起来，即间隔序列数量与vMAGs总数也存在显著且强烈的正相关关系（图3）。这些结果表明，在微生物群落中存在广泛编码的CRISPR-cas防御系统，并表明使用CRISPR-cas的微生物可能会对正在进行的病毒相互作用响应，并随着时间的推移将匹配的间隔序列整合到CRISPR阵列中。
图3 微生物群落内CRISPR-Cas基因座记录的群落水平对病毒相互作用的响应。
（A）样本中回收的间隔物数量与样本中病毒数量之间的Spearman相关性。（B）样品中间隔序列的数量与新井和已建井的天数之间的Spearman相关性。
4、CRISPR-Cas and other viral defense systems within host genomes
本研究重建的202个MAG中有123个（约60%）跨越25个门，包含可检测的CRISPR阵列（图4）。与新井（54%）相比，在67%已建井（）的MAG中发现了更高比例的CRISPR-Cas位点，这突出表明在病毒捕食可能反复发生。所有CRISPR-Cas系统类型中，I-B型最常见（22%），其次是III-A型（17%）。CRISPR-Cas系统在断裂的地下页岩，这种高温、生物膜、封闭生态系统中被更广泛地编码。这些结果表明，编码病毒防御机制对宿主有好处，并为在环境系统中可能与CRISPR-Cas配对的防御系统类型提供了见解。
图4 在新井和已建井中重建CRISPR阵列和MAGs中的病毒连接，按门分类。
5、在已建井中，与宿主相关的较少CRISPR间隔序列可能反映出对更有效的CRISPR-Cas阵列的选择
新井中每个宿主种群的间隔序列数量（平均288±410）高于老井（平均180±306）。在已建井中，MAG建立的平均71%的连接是与特定病毒连接的（图5） 。在新井中，只有39%的连接是与独特的病毒连接，与同一病毒的连接有更大的冗余性。因此，虽然已建井的MAG含有较少的间隔序列，与较少的病毒相连，但它们可以与比例较大的不同病毒相匹配，这表明保留的间隔序列可能有助于保护宿主免受更广泛的病毒套件的侵害，并且冗余较少。
图5 病毒连接的冗余
6、宿主-病毒共存模式的时间增加
CRISPR-Cas阵列中的间隔序列可以被独特地用来对宿主-病毒动力学进行强有力的推断。研究利用2110个宿主-病毒联系来量化两组井中宿主-病毒共发生模式的差异，并研究这些动态如何随着时间的推移而发展。作者量化了每种宿主-病毒连锁的三种情况的发生情况:（1）只有宿主存在时，（2）病毒和宿主都存在时，以及（3）只有病毒存在时(图6)。排除了宿主和病毒都不存在的情况。在这一分析中，宿主或病毒的“缺失”很可能不是生态系统中完全没有病毒，而是表明它们的真实丰度非常低。
作者发现新井中仅存在宿主的发生率呈下降趋势，接近于在已建井中观察到的值。同时，作者观察到两组井中宿主-病毒共存的趋势略有增加。这提供了证据，当微生物群落首次引入新形成的生态系统时，CRISPR-Cas可能是最有效的。随着时间的推移，CRISPR-Cas可能会变得不那么有效（图6）。
图6 宿主病毒共存模式
（A）不同“相互作用”类型的概念图：（1）只有宿主存在，但病毒不存在（低于检测），（2）宿主和病毒都存在以及（3）其中仅存在病毒。（B）新井和已建井中每种相互作用类型的百分比的时间趋势。线条表示线性趋势，而灰色阴影区域表示95%置信区间。
总 结
本研利用来自6口水力压裂页岩井的时间分辨率样本，建立了基于crispr的宿主-病毒联系，并研究了自然封闭生态系统中宿主-病毒的长期共存和CRISPR-Cas动力学。研究揭示了宿主-病毒动态的复杂性，以及地下封闭生态系统如何朝着宿主-病毒共存的平衡发展，而不是由宿主或病毒种群主导，或不断进化和种群更替的“红皇后”动态。总之，这项研究为宿主和病毒种群之间的长期动态以及地下生态系统中基于crispr的宿主-病毒联系提供了新的见解。
参考文献
[1] Amundson et al., Long-term CRISPR locus dynamics and stable host-virus co-existence in subsurface fractured shales, Current Biology (2023), https://doi.org/10.1016/j.cub.2023.06.033