バクテリオファージT4におけるニッチ幅の実験的進化は、構造遺伝子の重要性を明らかにした

Experimental evolution for niche breadth in bacteriophage T4 highlights the importance of structural genes.

• Jenny Y Pham
• C Brandon Ogbunugafor
• Alex N Nguyen Ba
• Daniel L Hartl

抄録

生態学者は長い間、ニッチの幅の進化を研究してきた。これには、環境中の変動がどのようにして特殊性と一般性の進化を促進するかも含まれる。この概念は、ニッチの広がりの進化がウイルス疾患の発生を説明したり、ファージ治療のような治療法の可能性の根底にある可能性があるウイルスに特に興味を持っています。ウイルスと宿主の相互作用の重要性と応用の可能性にもかかわらず、多くのバクテリオファージでは、ニッチ幅の進化の遺伝的決定要因がまだ十分に解明されていない。本研究では、モデルバクテリオファージシステムであるEscherichia virus T4を用いて、いくつかの宿主環境下での進化実験の結果を発表する。この実験的枠組みにより、ニッチ幅の進化の表現型と分子的顕在化を調べることができた。第一に、異なる宿主に対する選択が、すべての実験集団においてファージの生産性に測定可能な変化をもたらしたことを示した。第二に、実験集団の全ゲノムシークエンシングにより、選択の特徴が明らかになった。最後に、ファージの構造遺伝子-ウイルスに形態的・生物物理的な完全性を与えるタンパク質をコードする遺伝子-に新たな変異が見られることが明らかになった。機能的遺伝子のカテゴリーを横断して発見された変異を比較したところ、構造遺伝子は他のカテゴリーに比べて有意に多くの変異を獲得していることが明らかになった。この結果は、構造遺伝子がバクテリオファージのニッチの広さを決定する中心的な要因であることを示唆している。

Ecologists have long studied the evolution of niche breadth, including how variability in environments can drive the evolution of specialism and generalism. This concept is of particular interest in viruses, where niche breadth evolution may explain viral disease emergence, or underlie the potential for therapeutic measures like phage therapy. Despite the significance and potential applications of virus-host interactions, the genetic determinants of niche breadth evolution remain underexplored in many bacteriophages. In this study, we present the results of an evolution experiment with a model bacteriophage system, Escherichia virus T4, in several host environments: exposure to Escherichia coli C, exposure to E. coli K-12, and exposure to both E. coli C and E. coli K-12. This experimental framework allowed us to investigate the phenotypic and molecular manifestations of niche breadth evolution. First, we show that selection on different hosts led to measurable changes in phage productivity in all experimental populations. Second, whole-genome sequencing of experimental populations revealed signatures of selection. Finally, clear and consistent patterns emerged across the host environments, especially the presence of new mutations in phage structural genes-genes encoding proteins that provide morphological and biophysical integrity to a virus. A comparison of mutations found across functional gene categories revealed that structural genes acquired significantly more mutations than other categories. Our findings suggest that structural genes are central determinants in bacteriophage niche breadth.

© 2019 The Authors. MicrobiologyOpen published by John Wiley & Sons Ltd.