类病毒是一类自身缺乏编码蛋白质能力，依赖于宿主RNA聚合酶进行复制的单链RNA病原体【1-5】。目前，已发现的类病毒和其近似结构主要分布于植物中。但是近年来，随着人们开始在更大范围寻找类病毒样元件，发现这些RNA元件可能广泛存在于不同宿主和环境中【6-8】。2024年10月30日，美国斯坦福大学Andrew Z. Fire团队在Cell杂志上发表了题为Viroid-like colonists of human microbiomes 的文章。该研究发现了一类名为“方尖碑（obelisks）”的新可遗传RNA元件。该元件广泛分布于全球不同环境和人体的微生物组中，具有潜在的生物学意义。为挖掘类病毒样元件，作者首先搭建了一个新的生物信息学工具——Vnom，并使用该工具在微生物组RNA测序数据（iHMP项目的人类粪便数据集）中搜索了具有单链、环状基因组特征的序列。通过进一步的过滤和检查，作者发现了一组被预测具有杆状二级结构、长度为1164nt的RNA元件，被称为“Obelisk-alpha”。根据ORF预测结果，Obelisk-alpha能够编码两种蛋白质，分别被命名为Oblin-1和Oblin-2。在公开的蛋白数据库中，作者未搜索到与这两种蛋白质具有同源性的蛋白。进一步，基于Obelisk-alpha序列，作者从约320万个宏基因组/宏转录组中的7个数据集中鉴定出21个新的、全长Obelisk-alpha（<4%序列变异）。这7个数据集均为宏转录组测序数据。上述结果表明，Obelisk-alpha是一个真正存在的RNA元件。并且，通过检查iHMP的纵向数据，作者发现，Obelisks可以持续在人体中存在。基于VNom和Oblin-1蛋白，作者在庞大的数据集中进一步寻找了其他Obelisk。结果发现了一类新的Obelisk，命名为Obelisk-beta（1182nt），其与Obelisk-alpha具有相似的特征。接着，作者利用Obelisk-alpha/beta Oblins-1和-2作为Obelisk特异性标志序列，基于宏转录组数据库RDVA，进行了一系列严格的搜索和检查，最终得到了4505个具有可靠Oblin-1匹配结果的数据集。这些数据集的分布表明，Obelisks在全球范围内的不同生态位中均存在，如粪便、口腔、土壤、海洋等。通过进一步搜索3个肠道微生物组和2个口腔微生物组数据集，作者发现在上述数据集中，6.6%的个体肠道微生物组以及53%的个体口腔微生物组中存在Obelisk。并且不同亚型的Obelisk有部位倾向性，表明尽管存在口腔-胃肠道联系，但是Obelisk可能具有解剖学特异性。通过共现和相关性等方法，作者对结果进行了更加细致的梳理，发现人类口腔细菌血链球菌SK36可能是该元件的宿主之一，这类存在于SK36的Obelisk被称为Obelisk-Ss。与其他Obelisk类似，Obelisk-Ss为长度约1kb的RNA环状基因组，具有类似的RNA二级结构，且具有Oblin-1同源物，但不具有Oblin-2。通过RT-PCR、凝胶电泳以及长、短测序等实验手段，作者发现SK36菌株的RNA能检测出Obelisk-Ss阳性信号，而DNA不能。在连续培养SK36的过程中，大部分菌落都保留了Obelisk，但也有一个菌落发生了丢失。进一步通过比较携带和不携带Obelisk-ss的菌株在液体有氧环境中的生长情况，作者发现Obelisk-Ss并非是SK36生长必需的，对其生长无影响。随后，作者通过ColabFold（基于AlphaFold2）对Oblin-1和Oblin-2蛋白进行了结构预测，发现前者具有球状结构特征，后者则存在亮氨酸拉链alpha螺旋。许多类病毒会在其复制周期中编码产生核酶，而此前的生物信息学研究也已经在许多候选类病毒样基因组中发现了核酶。因此，作者还探究了Obelisk中核酶的存在情况，结果发现部分Obelisks包含一种锤头状核酶变体，这表明部分Obelisk可能通过类病毒样机制进行复制，而Oblin-1和/或Oblin-2可能是潜在的辅助因子。此外，作者还探究了CRISPR和Obelisks的联系，结果并未在CRISPR的间隔区序列中找到Obelisks的序列。综上，该研究发现了一组系与微生物组相关的类病毒RNA元件——Obelisks，并初步探索了Obelisks的一些生物学特征。这一研究进一步增加了我们对微生物组复杂性的认识，并可能有助于填补最简单的遗传分子与更复杂的病毒之间的鸿沟。然而，还有许多Obelisks的问题值得进一步探索。如其传播是否涉及某种传染性病原体？其传播方式是通过病毒样颗粒进行还是与类病毒一样通过细胞质？Obelisks如何影响宿主？原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cell.2024.09.033制版人：十一
1. Shi, M., Lin, X.-D., Tian, J.-H., Chen, L.-J., Chen, X., Li, C.-X., Qin, X.-C., Li, J., Cao, J.-P., Eden, J.-S., et al. (2016). Redefining the invertebrate RNA virosphere. Nature 540, 539–543. https://doi.org/10.1038/ nature20167.
2. Edgar, R.C., Taylor, B., Lin, V., Altman, T., Barbera, P., Meleshko, D., Lohr, D., Novakovsky, G., Buchfink, B., Al-Shayeb, B., et al. (2022). Pe- tabase-scale sequence alignment catalyses viral discovery. Nature 602, 142–147. https://doi.org/10.1038/s41586-021-04332-2.
3. Zayed, A.A., Wainaina, J.M., Dominguez-Huerta, G., Pelletier, E., Guo, J., Mohssen, M., Tian, F., Pratama, A.A., Bolduc, B., Zablocki, O., et al. (2022). Cryptic and abundant marine viruses at the evolutionary origins
4. Neri, U., Wolf, Y.I., Roux, S., Camargo, A.P., Lee, B., Kazlauskas, D., Chen, I.M., Ivanova, N., Zeigler Allen, L., Paez-Espino, D., et al. (2022). Expansion of the global RNA virome reveals diverse clades of bacterio- phages. Cell 185, 4023–4037.e18. https://doi.org/10.1016/j.cell.2022. 08.023.
5. Olendraite, I., Brown, K., and Firth, A.E. (2023). Identification of RNA Virus–Derived RdRp Sequences in Publicly Available Transcriptomic Data Sets. Mol. Biol. Evol. 40, msad060.
6. Weinberg, C.E., Olzog, V.J., Eckert, I., and Weinberg, Z. (2021). Identifi- cation of over 200-fold more hairpin ribozymes than previously known in diverse circular RNAs. Nucleic Acids Res. 49, 6375–6388. https://doi. org/10.1093/nar/gkab454.
7. Forgia, M., Navarro, B., Daghino, S., Cervera, A., Gisel, A., Perotto, S., Aghayeva, D.N., Akinyuwa, M.F., Gobbi, E., Zheludev, I.N., et al. (2023). Hybrids of RNA viruses and viroid-like elements replicate in fungi. Nat. Commun. 14, 2591. https://doi.org/10.1038/s41467-023-38301-2.
8. Lee, B.D., Neri, U., Roux, S., Wolf, Y.I., Camargo, A.P., Krupovic, M., RNA Virus Discovery Consortium, Simmonds, P., Kyrpides, N., Gophna, U., et al. (2023). Mining metatranscriptomes reveals a vast world of viroid-like circular RNAs. Cell 186, 646–661.e4. https://doi.org/10.1016/ j.cell.2022.12.039.
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