一类广泛传播的巨型噬菌体或成肠道菌群“隐形操纵者”

巨型噬菌体在生物圈中广泛存在，但其在人类肠道中的流行情况与生态学特征仍鲜有报道。

2026年2月6日，中国科学技术大学陈林兴独立通讯在Science Advances 在线发表题为“Animal-associated jumbo phages as widespread and active modulators of gut microbiome ecology and metabolism”的研究论文。该研究报道了一类被命名为Jug（巨型肠道）噬菌体的病毒，其基因组大小为360至402千碱基对，约占人类肠道宏基因组测序读数的1.1%，并预测其可感染拟杆菌属和/或Phocaeicola属。

尽管Jug噬菌体的四个主要类群中有三个在基因组范围内序列相似性超过90%，但其大末端酶亚基的相似性仅为38%至57%，提示该基因可能通过水平转移从其他噬菌体获得。从人类和动物肠道宏基因组中，作者共复原了超过1500个Jug噬菌体基因组，揭示了其广泛的分布特征；其高度保守的基因组成提示该噬菌体存在频繁的跨动物宿主传播。Jug噬菌体表现出较高的基因转录活性，其中包括一个此前未在噬菌体中检测到的钙离子转运P型ATP酶基因。这些发现拓展了对巨型噬菌体的认识，并提示Jug噬菌体可能是肠道微生物群生态学中潜在的重要参与者。

病毒，尤其是感染细菌的病毒（即噬菌体），是地球上最丰富的生物实体。人类肠道中含有高度多样化的噬菌体，其中一些已被报道在人类肠道中广泛存在，例如crAssphage。感染拟杆菌属（Bacteroides）的Crassvirales目噬菌体（包括crAssphage）似乎是人类肠道中最普遍的噬菌体，同时也存在于环境病毒组中。这些噬菌体表现出高度的系统发育多样性，并且该目中的许多成员具有不寻常的特征，例如基因被多个自剪接内含子和内含肽所中断，以及使用替代遗传密码。人类肠道噬菌体组的组成已被证明在个体生命周期中是独特且稳定的，但在生命早期阶段可能发生转变，尽管一些噬菌体自生命早期起即可长期存留。据报道，人类肠道噬菌体组组成的转变与慢性疾病相关，例如炎症性肠病、营养不良和代谢综合征，这表明肠道噬菌体与人类健康密切相关。

Caudovirales纲的双链（ds）DNA噬菌体显示出广泛的基因组大小分布，峰值约为50千碱基对（kbp），而其中一些被称为巨型或超大噬菌体的基因组大小≥200 kbp，最大可达841 kbp。超大噬菌体具有多样性且分布广泛，其庞大的基因组编码大量功能多样的蛋白质，为研究病毒中复杂的生物学机制提供了独特的机会。此类机制的实例包括编码转录和翻译机器的多个组分的基因、增强宿主细胞多种代谢通路的酶、CRISPR-Cas系统以及其他防御与反防御系统等。值得注意的是，一些超大噬菌体在类似细胞核的结构内复制其基因组，以保护噬菌体DNA免受宿主防御系统的攻击。感染普雷沃菌属（Prevotella）的Lak噬菌体是极少数在人类肠道中被研究过的超大噬菌体分支之一。其基因组大小为540至660 kbp，与某些原核生物相当，并且主要在非西方饮食人群以及多种动物的肠道宏基因组中被检测到。然而，总体而言，超大噬菌体在人类肠道中的流行情况、多样性及生态作用在很大程度上仍属未知。

噬菌体中发现的一种钙易位p型ATP酶（图片源自Science Advances ）

在本研究中，作者构建了超大噬菌体基因组集合（HPGC），并从中鉴定出一个优势的超大噬菌体分支，作者将其命名为Jug（源自jumbo gut）噬菌体。Jug噬菌体被分为四个类群，比较基因组分析提示了不同的进化路径。从人类及多种动物的肠道宏基因组中，作者恢复了超过1500个Jug噬菌体基因组，证明了其广泛的多样性和分布。宏转录组学分析揭示了Jug噬菌体在人类肠道中的高活性，并提供了关于断裂基因共转录及RNA剪接的信息。

作者在Jug噬菌体及其他超大噬菌体中鉴定出噬菌体编码的钙离子转运P型腺苷三磷酸酶（ATPase），这是一种此前未在噬菌体中报道过的酶，并证明该基因具有活跃的转录活性。Jug噬菌体的发现凸显了HPGC在识别具有重要生态意义的超大噬菌体分支方面的能力。作者对Jug噬菌体的基因库、分布、传播及原位活性的分析，记录了其作为人类噬菌体组主要组成部分的潜在重要性，同时也拓展了作者对肠道微生物组中超大噬菌体生态学的理解。

原文链接：

https://www.science.org/doi/ 10.1126/sciadv.aeb6265