人体肠道隐秘世界大揭秘：温和的“长居客”噬菌体远比“杀手”更常见

目前，成功分离并得到鉴定的肠道噬菌体仍然非常有限。迄今为止，大多数能够被分离和扩增的肠道噬菌体均为烈性噬菌体，这使得对肠道中广泛存在的温和噬菌体的研究留下了大量空白。在本研究中，我们成功实现了一批大规模肠道细菌及其噬菌体的分离，获得了分属于86个物种的1679株细菌菌株，以及能够侵染26种不同细菌宿主的79株噬菌体。在这些噬菌体分离株中，有32株为温和噬菌体，其中两株温和噬菌体是直接从健康人粪便样本中分离得到。序列比较与分析显示，这些分离到的温和噬菌体基因组具有高度多样性，并且在人类肠道中的流行率显著高于目前已报道的烈性肠道噬菌体。进一步分析表明，大多数这些温和噬菌体都含有独特的多样性生成逆转录元件，并可能具有较广的宿主范围。此外，通过结合序列相似性与结构相似性分析，我们开发了一套流程，能够显著提升肠道噬菌体基因组的注释效率。利用该注释流程，我们还鉴定出一个候选噬菌体新科——“拟杆菌尾噬菌体科”（候选名），该科噬菌体在进化早期便与其他噬菌体谱系发生分化。

主要结果

1. 细菌与噬菌体库的建立

获得1,679株细菌，其中45株可能为新种，4株可能为新属。

获得79株噬菌体，其中32株为温和噬菌体。

建立了Tsinghua Gut Phage Isolates (TGPI) 数据集，包含52个非冗余基因组。

图1    细菌分离流程、系统发育树、在人群中的分布

2. 温和噬菌体的多样性

温和噬菌体基因组多样性高，多数携带多样性生成逆转座元件（DGRs）。

部分温和噬菌体（如BI-TP1、PV4-TP1）在GPD数据库中具有大量同源序列，流行率高于已知裂解性噬菌体。

温和噬菌体可感染多种细菌，提示其宿主范围广泛。

图2    噬菌体分离流程、电镜图像、基因组特征、与GPD的比对

3. GPnote注释工具的开发

GPnote结合序列与结构信息，注释率达57.5%，优于传统工具（约41.5%）。

结构预测尤其有助于识别尾部蛋白、衣壳蛋白等结构蛋白。

图3    GPnote注释流程与效果对比，结构蛋白注释示例

4. 新噬菌体家族“Bacteroiduroviridae”的提出

基于基因组聚类、系统发育和蛋白质相似性分析，提出新家族“Bacteroiduroviridae”。

该家族噬菌体：

感染Bacteroides属细菌；

具有长非收缩尾；

基因组大小约30–40 kbp，GC含量45.4%–47.1%；

在GPD和INPHARED中识别出196株同源噬菌体，分为4个亚群。

图4    vConTACT2聚类结果、代表性基因组图谱、病毒簇分类

5. 衣壳蛋白与末端酶的进化分析

衣壳蛋白分为6个进化支，Bacteroiduroviridae独立成支；

末端酶（TerL）也显示出该家族的独特性，进一步支持其分类地位。

图5    Bacteroiduroviridae的蛋白质组树、基因组比较、衣壳蛋白与末端酶进化树

6. 温和噬菌体与疾病关联

BX-TP1等温和噬菌体在IBD患者中显著减少；

Ruminococcus gnavus温和噬菌体RG-TP1在IBD中显著增加；

提示温和噬菌体可能参与肠道微生态失调。

图6     温和噬菌体宿主网络、DGR结构、靶蛋白结构预测

本研究大规模分离肠道细菌与噬菌体，获得79株噬菌体，其中32株为温和噬菌体，揭示了其基因组高度多样、携带DGR元件且流行率高于烈性噬菌体。结合序列与结构相似性开发的GPnote注释流程显著提升了基因组注释效率，并鉴定出一个进化早期分化的候选噬菌体新科“Bacteroidoviridae”，为肠道噬菌体研究提供了重要资源。

参考来源：DOI: 10.1080/19490976.2025.2597614