中国科学技术大学陈林兴团队揭示巨型肠道噬菌体调控肠道微生物组的生态与代谢机制

噬菌体是地球上丰度最高的生物类群，人体肠道中存在多样的噬菌体，部分噬菌体的组成变化与慢性疾病相关。巨型噬菌体因基因组大于 200 千碱基对，拥有复杂的生物学机制，但人体肠道中巨型噬菌体的丰度、多样性和生态功能仍缺乏深入解析。

目前已发现的人体肠道巨型噬菌体仅有感染普雷沃氏菌的 Lak 噬菌体，且针对巨型噬菌体的研究缺乏标准化的参考数据集。同时，巨型噬菌体的进化模式、跨宿主传播特征以及其在肠道中的原位转录活性，还有编码的特殊功能基因的作用，均为尚未解决的科学问题。

2026 年 2 月 6 日，中国科学技术大学陈林兴团队在国际期刊Science Advances 发表题为Animal-associated jumbo phages as widespread and active modulators of gut microbiome ecology and metabolism 的研究论文。

该研究构建了目前最全面的巨型噬菌体基因组数据库 HPGC，鉴定出一类新型的巨型肠道噬菌体 Jug 噬菌体，解析了其进化特征与跨宿主传播能力，发现其具有高转录活性并编码全新的钙转运 P 型 ATP 酶。Jug 噬菌体是调控人体和动物肠道微生物组生态与代谢的重要参与者，该研究丰富了对巨型噬菌体的认知，为肠道微生物组调控研究提供了新视角。

正 文

研究人员首先收集了来自人类肠道、海洋、土壤等多种生境的 10690 条长度不低于 200 千碱基对的病毒基因组，结合多种病毒鉴定工具筛选出 9372 条巨型噬菌体基因组，最终构建了包含 7230 条非冗余基因组的巨型噬菌体基因组数据库 HPGC。该数据库中近三成基因组来自动物消化系统，且 70% 为完整或高质量基因组，基因组大小集中在 200 至 400 千碱基对。研究人员对人类肠道来源的巨型噬菌体基因组聚类分析，鉴定出占比最大的进化支，将其命名为Jug 噬菌体，并根据大型末端酶亚基的序列差异将其分为 Alpha、Beta、Gamma、Delta 四个类群。

为了验证 Jug 噬菌体的基因组特征与进化模式，研究人员对 139 条 Jug 噬菌体基因组进行人工校正，发现 Beta 类群基因组更小、GC 含量更低但编码密度更高，且 Alpha、Gamma、Delta 类群基因组相似度超 90%，但大型末端酶亚基序列相似度仅 38% 至 57%，这一特征在巨型噬菌体中具有唯一性。研究人员还发现 Jug 噬菌体基因组中存在大量 I 型内含子和归巢核酸内切酶，导致多个关键基因片段化，而宏转录组数据证实这些片段化基因可通过 RNA 剪接恢复编码功能。通过宿主预测与共现分析，研究人员确定 Jug 噬菌体的宿主为拟杆菌属和福赛斯坦纳菌属细菌，且 Jug 噬菌体在人体肠道宏基因组中占比约 1.1%，部分样本中占比超 35%。

进一步分析 Jug 噬菌体的分布、传播与功能特征，研究人员通过大范围宏基因组检索获得 1526 条 Jug 噬菌体基因组，发现其广泛存在于人类和小鼠、大鼠、犬、猫等多种动物肠道中，且不同动物来源的 Jug 噬菌体共享大量蛋白簇，提示存在频繁的跨宿主传播。粪菌移植研究证实 Jug 噬菌体可在人体间传播，膳食纤维干预实验显示高纤维饮食可促进其增殖。宏转录组分析表明 Jug 噬菌体在肠道中具有高转录活性，87% 至 99% 的基因可表达，且其编码的钙转运 P 型 ATP 酶基因转录活性显著高于肠道细菌中的同源基因，该基因为首次在噬菌体中发现，且在其他肠道巨型噬菌体中也有分布，推测其可通过调控宿主钙离子稳态影响宿主代谢。

Jug噬菌体的系统发育和基因组特征

总 结

总的来说，该研究构建了首个全面的巨型噬菌体基因组数据库 HPGC，鉴定出新型巨型肠道 Jug 噬菌体并划分四个类群，解析了其独特的进化特征，即高基因组相似度与低大型末端酶亚基相似度并存，且基因组存在大量可剪接的片段化基因。研究还证实 Jug 噬菌体广泛分布于人类和多种动物肠道，可跨宿主传播且受饮食调控，其在肠道中具有高转录活性，并编码首次发现的噬菌体钙转运 P 型 ATP 酶。该研究首次揭示了 Jug 噬菌体在肠道微生物组中的生态与代谢调控作用，完善了巨型噬菌体的研究体系，为理解噬菌体 - 细菌互作及肠道微生物组调控机制提供了新的理论依据，也为后续开发基于噬菌体的肠道微生态调控策略奠定了基础。

论文链接：

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