撰文｜617

腸道噬菌體對微生物生態(tài)和人類健康具有深遠影響，但因研究技術(shù)限制，其動態(tài)變化、宿主范圍及進化機制仍不明確。傳統(tǒng)短讀長測序存在組裝碎片化、難以區(qū)分噬菌體與宿主序列等缺陷，而長讀長測序可生成更連貫的基因組組裝結(jié)果，為解析噬菌體-宿主關(guān)系提供了可能。

近日，美國斯坦福大學(xué)Ami S. Bhatt團隊在Nature雜志上發(fā)表了題為Long-read metagenomics reveals phage dynamics in the human gut microbiome的文章。該研究通過長讀長宏基因組測序技術(shù)，深入探究了人類腸道微生物組中原噬菌體與宿主細菌的動態(tài)相互作用，揭示了多項此前未被充分認知的噬菌體生物學(xué)特性。

人類腸道中的噬菌體大多為原噬菌體（指溫和噬菌體侵染細菌后，將其核酸整合到細菌宿主DNA的存在形式）。為深入了解原噬菌體的生物特性及其活性隨時間的變化，作者收集了6名健康成年人在2個時間點（間隔2年）的糞便樣本，隨后使用ONT平臺對這些樣本進行長讀長宏基因組測序，同時還使用illumina平臺進行了短讀長宏基因組測序。

長讀長與短讀長測序結(jié)果比較顯示，長讀長測序組裝的連貫性（contiguity）顯著優(yōu)于短讀長（contig N50均值255.5 kb vs 7.8 kb），且無需短讀長校正即可獲得準確的基因預(yù)測，能更完整地捕獲原噬菌體基因組及其上下游的宿主序列信息。

基于長讀長測序數(shù)據(jù)，作者通過VIBRANT、geNomad等噬菌體預(yù)測工具和Sniffles2等分析工具，系統(tǒng)分析了原噬菌體的整合動態(tài)、誘導(dǎo)水平、宿主范圍及進化機制。

首先，作者探究了采集期間噬菌體的獲得或丟失情況。結(jié)果顯示，在2年時間尺度內(nèi)，絕大多數(shù)（約90%）原噬菌體穩(wěn)定整合在宿主細菌基因組的相同位置，僅約5%的原噬菌體在持續(xù)存在的宿主中發(fā)生獲得或丟失，表明原噬菌體在宿主中整體穩(wěn)定，少數(shù)呈現(xiàn)動態(tài)變化。

這種獲得或丟失的動態(tài)變化可能源于新的噬菌體感染、宿主菌株替換或原噬菌體的自發(fā)性丟失，部分發(fā)生動態(tài)變化的噬菌體可在不同菌株間轉(zhuǎn)移。

通過測序覆蓋率的變化和結(jié)構(gòu)變異識別等分析，作者發(fā)現(xiàn)，同一糞便樣本中，攜帶某一原噬菌體的宿主（溶原菌）和不攜帶該原噬菌體的宿主細菌（原始宿主）可同時存在，且兩者比例存在顯著個體差異。

原噬菌體從宿主細菌基因組中激活脫離，啟動復(fù)制并產(chǎn)生成熟噬菌體顆粒的過程被稱為“誘導(dǎo)”。作者發(fā)現(xiàn)，原噬菌體誘導(dǎo)多為低水平（噬菌體基因組覆蓋率僅為宿主的1-3倍），大規(guī)模裂解性膚質(zhì)（覆蓋率>10倍）在腸道中極為罕見，符合生態(tài)模型預(yù)測。

傳統(tǒng)觀點認為噬菌體宿主特異性強，多局限于特定物種或菌株，但該研究發(fā)現(xiàn)約5%的噬菌體簇可整合到不同分類的宿主細菌中。雖然大多數(shù)噬菌體的宿主局限于物種水平（78%），但是有少數(shù)噬菌體表現(xiàn)出更廣的宿主范圍，甚至可以跨科感染。

比如，作者發(fā)現(xiàn)某一噬菌體物種可感染顫螺菌科、瘤胃球菌科和丁酸球菌科的細菌；另一噬菌體類別可感染坦納菌科和擬桿菌科的宿主，直接證明了某些噬菌體具有廣譜宿主范圍。

原噬菌體通常攜帶整合酶，使其基因組能夠整合到宿主DNA中。腸道原噬菌體的分析結(jié)果顯示，酪氨酸和絲氨酸整合酶是最常見的整合酶。

然而，作者還發(fā)現(xiàn)有一些噬菌體缺乏整合酶，并從中鑒定出了一類特殊原噬菌體，其自身不編碼典型整合酶，而是“馴化”細菌的IS30轉(zhuǎn)座酶（可移動自私遺傳元件），通過兩端的IS30元件介導(dǎo)自身的整合與切除，因此作者將其命名為“IScream噬菌體”。

這類噬菌體在腸道中廣泛存在（MGV數(shù)據(jù)庫中發(fā)現(xiàn)1780個潛在成員），具有高度保守的基因組結(jié)構(gòu)，核心功能基因（如結(jié)構(gòu)蛋白相關(guān)基因、裂解相關(guān)基因）完整。進化分析表明，IScream噬菌體的IS30轉(zhuǎn)座酶可能起源于梭菌屬等細菌的IS元件，是噬菌體馴化細菌遺傳元件的罕見案例。

為確定 IScream噬菌體代表真正可形成病毒粒子的噬菌體，而不是隱蔽的原噬菌體或其他自私的非噬菌體元件，作者獲取了一株攜帶IScream噬菌體的細菌Blautia hansenii（ATCC 27552），并在其過夜培養(yǎng)物中觀察到了環(huán)狀噬菌體基因組，表明噬菌體能自發(fā)誘導(dǎo)。通過PEG沉淀、DNase處理及電鏡驗證等，進一步證明了這些噬菌體能夠形成有感染活性的病毒顆粒。

綜上，該研究通過長讀長技術(shù)為噬菌體研究提供了新范式，為解析腸道微生物組的穩(wěn)定性與可塑性提供了關(guān)鍵線索；完善了噬菌體生物學(xué)核心理論，打破了“噬菌體宿主特異性嚴格”的傳統(tǒng)認知；同時還發(fā)現(xiàn)了一類新型IScream噬菌體，提供了噬菌體馴化自私性細菌遺傳元件的新案例。

https://doi.org/10.1038/s41586-025-09786-2

制版人： 十一

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