肠道“隐匿者”：巨型噬菌体如何玩转 NAD⁺“能量币”

在微生物领域，噬菌体作为一种感染细菌的病毒，是天然微生物组的重要组成部分，对塑造微生物群落结构、改变宿主代谢等诸多方面都有着关键影响。而巨型噬菌体，因其基因组庞大且复杂，更是备受科研人员的关注。2024年12月20日，Microbiome期刊上发表了一篇题为Gastrointestinal jumbo phages possess independent synthesis and utilization systems of NAD⁺的论文，揭示了胃肠道巨型噬菌体在NAD⁺合成与利用方面的独特能力，为我们深入理解噬菌体的生物学特性及生态功能提供了新的视角。

巨型噬菌体的定义与研究背景

巨型噬菌体是指基因组大于200 kbp的噬菌体，其基因组的复杂性和庞大性类似于小型细菌基因组。与小型噬菌体相比，巨型噬菌体拥有更多的独特基因，这些基因使它们能够在细菌宿主中成功繁殖并完成生命周期。然而，由于其基因组的特殊性，关于巨型噬菌体如何完成生命周期的许多细节仍有待探究。此外，随着宏基因组学研究的不断深入，越来越多的巨型噬菌体被发现，但如何系统地挖掘和分析这些噬菌体的基因组信息，揭示其潜在的生物学功能，成为了当前研究的热点和难点之一。

研究方法与主要发现

该研究通过整合5种动物（牛、羊、猪、马和鹿）肠道微生物组的15 TB宏基因组数据，组装出了668个高质量的巨型噬菌体基因组，其中包括迄今为止报道的最大的肠道噬菌体基因组，长度达716 kbp。在对这些巨型噬菌体基因组进行深入分析时，研究人员发现了一个令人惊讶的现象：有174个巨型噬菌体编码了通过挽救途径或Preiss-Handler途径合成NAD⁺所需的所有基因，这些噬菌体被命名为NAD-巨型噬菌体。除了NAD⁺的合成基因外，这些NAD-巨型噬菌体还编码了至少15种NAD⁺消耗酶基因，这些酶基因参与DNA复制、DNA修复和反防御等多种重要过程。

进一步的研究表明，这些NAD-巨型噬菌体的NAD⁺合成途径与它们的宿主细菌之间存在着一定的互补性。例如，Kuafu_19巨型噬菌体能够利用Preiss-Handler途径以NA为底物合成NAD⁺，而其宿主细菌仅具有以天冬氨酸为底物的从头合成途径。这种互补性可能有助于提高NAD⁺的合成效率，为噬菌体和宿主的相互作用提供了新的代谢层面的支持。此外，研究人员还发现NAD-巨型噬菌体在地球的多种生态系统中广泛存在，包括人类肠道、湖泊、盐池、矿山尾矿和海水等，这表明它们在不同环境中的生态适应性和功能多样性。

研究的意义与启示

这项研究不仅为我们揭示了巨型噬菌体在NAD⁺代谢方面的新特性，还拓展了我们对噬菌体多样性和生存策略的认识。NAD⁺作为一种关键的辅酶，在细胞的能量代谢、DNA修复、细胞信号传导等众多生物学过程中发挥着至关重要的作用。而巨型噬菌体能够编码完整的NAD⁺合成途径和多种NAD⁺消耗酶，表明它们在感染宿主细菌后，可以通过自主合成NAD⁺并调节宿主的代谢过程，以满足自身繁殖的需求。这种对宿主代谢的重编程能力，可能是巨型噬菌体在竞争激烈的微生物环境中获得生存优势的一种重要策略。

从生态学的角度来看，NAD-巨型噬菌体的广泛分布和多样性特征暗示着它们在调节宿主微生物群落的结构和功能方面可能发挥着关键作用。例如，在肠道生态系统中，NAD-巨型噬菌体可能通过影响肠道细菌的NAD⁺代谢，进而影响肠道微生物组的组成和功能，从而对宿主的健康产生潜在影响。此外，考虑到NAD⁺在抗衰老、抗肿瘤等生物学过程中的重要作用，该研究还为探索噬菌体在人类健康领域的潜在应用提供了新的思路和研究方向。

这篇论文通过对大量肠道宏基因组数据的深入挖掘和分析，揭示了巨型噬菌体在 NAD⁺合成和利用方面的独特能力及其生态分布特征，为噬菌体生物学研究领域增添了重要的新成果。然而，尽管该研究取得了显著的进展，但仍存在一些局限性，例如目前的研究主要基于生物信息学分析，对于巨型噬菌体NAD⁺合成和利用系统的功能验证还需要更多的实验研究来支持。

参考文献：doi: 10.1016/j.cell.2025.03.027