PNAS丨Ribo-seq应用：古菌病毒如何 “劫持” 宿主？Ribo-seq 揭开一场特殊的微生物博弈

前言：

病毒捕食是驱动微生物进化、塑造地球生物地球化学循环的重要力量。相较于细菌与噬菌体、真核生物与真核病毒之间的大量研究，古菌（archaea）作为一类既存在于极端生境、也广泛分布在土壤海洋的生命类群，它们与古菌病毒（archaeal virus）之间的分子互作，仍然是领域的缺口。

古菌最独特的一点在于信息处理系统的镶嵌特征：复制、转录、翻译的核心蛋白和真核生物同源；但转录本经常无 5’帽子、存在多顺反子、无先导转录本，转录和翻译又像细菌一样发生偶联。因此古菌病毒需要同时应对类似真核、又类似细菌的宿主环境。

过去对古菌病毒的研究大多聚焦基因组、电镜结构，只有少数研究利用转录组学系统解析古菌宿主‑病毒基因表达，然而宿主与病毒基因组内仍有大量功能未知基因：古菌基因组平均约 40% 基因功能未注释，转录组研究中的病毒基因组更是有 40‑80% 基因功能不明。

Jocelyne DiRuggiero 课题组选取嗜盐古菌 Haloferax gibbonsii（Hg）和它的有尾病毒 HFTV1 作为模式体系，结合翻译组学技术 Ribo‑seq，高时间分辨率追踪整个感染周期，同时解析转录与翻译的全局动态，以揭示古菌病毒和宿主之间的博弈机制。

01 感染全程：病毒与宿主同时维持活跃翻译

为了解析 HFTV1 与宿主 Hg 的基因表达动态，研究人员在完整感染周期同步开展 Ribo‑seq 与 mRNA‑seq，同时检测 mRNA 丰度以及 mRNA 上的核糖体结合密度。

感染条件：42 ℃，MOI=10，宿主 Hg 在感染后3.5‑4 h 发生裂解；所有样本采集均在裂解前完成。

时间点：T0、5、15、30、60、180 min（3 个生物学重复），补充时间点 T150、T200（临近裂解）。

随着感染时间推移，测序数据显示一个清晰趋势：病毒 HFTV1 的 mRNA 和核糖体结合读码占比持续升高，宿主 Hg 的占比逐步下降。到感染后 180 分钟，如果只看细胞里的转录水平，75% 都是宿主古菌的 mRNA，病毒 mRNA只占 25%；但在翻译层面，可要是看真正正在干活翻译蛋白的核糖体，宿主、病毒核糖体结合的 mRNA 各占约 50%。这说明即使临近细胞裂解，宿主和病毒都依旧保持活跃的翻译过程。

整套时序实验设计示意图

RNA‑seq (左)、Ribo‑seq (右) 中比对到宿主 Hg 或病毒 HFTV1 的基因组读段占比

通过统计学筛选，一共鉴定 1721 个存在差异核糖体密度的宿主基因，占全部宿主基因的 44%，而所有病毒基因均发生翻译水平的显著改变。同时研究者也观察到，少数病毒基因，核糖体密度远高于 mRNA 丰度，这也直接证明了转录后调控，参与病毒基因的表达控制。

02 同一个基因，翻译出两种功能蛋白

研究人员在众多受转录后调控的基因中，发现 mRNA-seq 与 Ribo-seq 在病毒晚期基因 gp17 表现出了明显的差异。这个基因原本被注释为 P2 噬菌体来源的 “支架‑蛋白酶融合蛋白”。但 Ribo‑seq 的覆盖信号却出现异常：gp17 基因的 3’端区域核糖体结合信号，远远强于 5’端。

结合高石蒜碱 HHT 捕获翻译起始位点的实验证实，这个基因拥有两个独立翻译起始位点。

• 全长起始位点：翻译完整蛋白，N 端结构域（NTD）与 C 端结构域（CTD），发挥前头部蛋白酶功能。文中命名为 gp17。

• 框内内部起始位点：直接从基因中间的起始密码子启动翻译，仅表达 CTD，作为衣壳支架蛋白。文中命名为 gp17.5。

在被感染的细胞内部，C 端产物丰度是 N 端的 7.8 倍；但组装完成的成熟病毒颗粒中，两者丰度接近 1:1。该嵌套基因组织模式见于 λ 噬菌体、HSV‑1 疱疹病毒，为双链 DNA 有尾病毒共同起源假说提供新证据。但 HFTV1 并不依靠 RNA 茎环结构、Shine‑Dalgarno 序列去调控内部起始，它的调控机制和已知病毒完全不一样，依旧是待解谜题。

T180 时间点 gp17 基因 RNA‑seq 与 Ribo‑seq 覆盖度（RPM，每百万读段）；

红色代表 5' 区或 NTD，蓝色代表 3' 区或 CTD

gp17 前头部蛋白酶、gp17.5 衣壳支架蛋白翻译调控、蛋白比例与生理功能模型

03病毒 tRNA：跳出密码子补偿的传统认知

研究人员发现 HFTV1 基因组编码一个病毒 tRNA（vtRNA^Thr_CGU），预测识别苏氨酸 ACG 密码子，序列内部还带有古菌 tRNA 典型的 5nt 内含子。

按照传统认知，病毒编码 tRNA，大多是为了弥补病毒与宿主之间密码子使用偏好的差异。 但研究人员在比对了基因组密码子使用频率后发现 HFTV1 和宿主 Hg 的 ACG 密码子使用并没有明显差异。

随后，研究人员通过蔗糖梯度分离核糖体组分并结合 Northern blot 结果观察到，在感染后期vtRNA^Thr_CGU 可以和宿主的单核糖体、多聚核糖体复合体共沉降，证明病毒 tRNA 在细胞内与宿主核糖体结合。

vtRNA 的功能并非简单补偿密码子偏好。仍待实验确认该 tRNA 是否发生氨酰化、是否直接参与解码，或者优先翻译特定病毒转录本。它的加工成熟、修饰状态、生理功能需要进一步实验解析。

10‑50% 蔗糖梯度多聚核糖体轮廓；

对应组分 Northern 印迹，证明 vtRNA 与核糖体组分共沉降

04 宿主防御不靠 CRISPR，Tafi 菌毛‑生物膜成为主力

大家熟知，古菌拥有 CRISPR‑Cas、毒素‑抗毒素等经典抗病毒系统。但在 HFTV1 感染 Hg 这套体系中，经典防御系统并没有成为主力。

通过基因时序聚类，研究人员发现一套从未被注释的、Tat 通路依赖的菌毛系统 Tafi，和病毒早期基因协同上调。实验证实，病毒感染会显著促进宿主生物膜的形成，推测 Tafi 介导的生物膜，是该宿主主要的抗病毒防御手段。

结晶紫生物膜染色实验：HFTV1 感染会显著提升宿主生物膜形成能力

结合全部结果，作者提出完整感染模型：

• 感染早期：病毒完成吸附，宿主启动 Tafi‑生物膜防御通路；

• 感染中期：宿主代谢系统尚能运转，病毒开启基因组复制与大量蛋白合成，vtRNA 结合宿主核糖体；

• 感染后期：宿主信息加工系统逐步衰退，细胞出现氨基酸饥饿，病毒完成衣壳组装；

最终宿主细胞裂解，释放子代病毒颗粒。

HFTV1 病毒感染周期模型

结语

总的来说，这项工作依靠高时间分辨率的 Ribo‑seq 与 mRNA‑seq，捕获古菌病毒感染体内全局转录与翻译动态。为古菌宿主‑病毒互作领域，开辟转录后调控这一尚未被充分探索的研究方向。

原文链接：

https://www.biorxiv.org/content/10.64898/2026.09.13.751334v1