Nucleic Acids Research
噬菌体基因组中广泛存在Group II内含子

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本研究通过基于RNA结构的比对模型，首次系统性地在噬菌体基因组中鉴定出Group II内含子的存在，揭示了这些自我剪接RNA元件在噬菌体中的广泛分布，拓展了对噬菌体基因组多样性的认知。

 

文献概述
本文《Presence of group II introns in phage genomes》，发表于《Nucleic Acids Research》杂志，回顾并总结了Group II内含子在噬菌体基因组中的存在情况。Group II内含子是一类自我剪接的RNA结构，广泛存在于细菌、古菌和真核生物的细胞器基因组中，但此前被认为在噬菌体中不存在。本研究通过基于共变模型的RNA结构搜索方法，首次在噬菌体基因组中鉴定出多个Group II内含子候选位点，进一步分析其分类、分布及进化特征。

背景知识
Group II内含子是一类自我剪接的RNA元件，具有催化活性，能够在转录过程中通过自催化作用剪接出自身。它们通常插入到宿主基因中，通过一种称为retrohoming的机制实现移动。此前，Group II内含子已被广泛研究于细菌和真核生物线粒体基因组，但在噬菌体中被认为缺失。噬菌体基因组具有高度紧凑的编码结构，通常受强烈选择压力，因此MGE（移动遗传元件）的入侵和保留机制值得深入研究。本文通过Infernal软件包构建Group II内含子的共变模型，结合噬菌体基因组数据库，系统性地识别噬菌体中Group II内含子的存在，挑战了传统认知，提供了新的RNA调控机制研究方向。

 

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研究方法与实验
本研究基于Rfam数据库中的Group II内含子结构模型（RF00029和CL00102），使用Infernal软件中的cmsearch工具对Millard实验室提供的29,015个高质量噬菌体基因组进行搜索，E值阈值设为0.01。同时，研究团队也对IMG/VR宏基因组数据库（1570万个contig）进行同源搜索。为进一步提高检测灵敏度，研究者还基于新鉴定的D5/D6结构构建新的共变模型，以识别更多潜在的Group II内含子。此外，通过多序列比对和系统发育分析，研究者分析了Group II内含子在噬菌体进化中的分布及其与宿主基因组的关系。

关键结论与观点

• 在Millard噬菌体基因组数据集中，共鉴定出20个Group II内含子候选，其中12个包含D1–D4和D5–D6结构域，4个仅包含D1–D4，4个仅包含D5–D6。
• Group II内含子在噬菌体中广泛分布，涵盖从内共生噬菌体到巨型噬菌体（jumbophage）等多个系统发育分支，表明其在噬菌体基因组中具有广泛的适应性。
• 所有20个候选内含子均编码RVT结构域，且系统发育分析显示它们与已知Group II内含子编码的RVT序列聚类，进一步支持其为Group II类型。
• 部分噬菌体Group II内含子同时编码归巢核酸酶（HEG），与宿主基因组中的Group II内含子序列高度同源，提示噬菌体Group II内含子可能来源于宿主基因组的逆转录事件。
• 在IMG/VR宏基因组数据库中，鉴定出9229个Group II内含子候选，比例与Millard数据库相似（约0.06%），表明该类RNA元件在噬菌体中普遍但低频存在。
• 结构预测分析显示，这些噬菌体Group II内含子具有保守的伪结（pseudoknot）结构，如EBS1:IBS1、α:α'、β:β'等，进一步支持其为功能性RNA元件。
• 部分噬菌体Group II内含子缺乏ORF，提示它们可能依赖同一噬菌体基因组中的其他RVT蛋白进行转式剪接和移动。

研究意义与展望
本研究首次系统性地在噬菌体基因组中鉴定出Group II内含子的存在，挑战了传统认为该类元件仅存在于宿主基因组中的观点。研究结果为噬菌体基因组中RNA剪接机制的多样性提供了新证据，并为探索RNA催化元件在病毒基因组中的进化路径提供了基础。未来研究可进一步探索这些RNA元件在噬菌体生命周期中的功能，以及它们是否可被用于开发新型RNA剪接工具或噬菌体基因编辑系统。

 

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结语
本研究通过RNA结构比对和系统发育分析，首次在噬菌体基因组中鉴定出Group II内含子的广泛存在，拓展了对噬菌体基因组复杂性的认知。Group II内含子在噬菌体中与宿主基因共进化，具有RVT结构域和归巢核酸酶，部分内含子在结构上与宿主Group II内含子高度同源，提示可能存在水平基因转移事件。该研究为噬菌体RNA剪接机制和基因组可塑性提供了重要线索，也为噬菌体与宿主共进化研究开辟了新方向。

 

Liana N Merk, Thomas A Jones, and Sean R Eddy. Presence of group II introns in phage genomes. Nucleic Acids Research.