解锁巨型噬菌体G的基因组宝库：多组学与AI揭示50年培养史中的独特基因组结构与功能多样性

本研究针对迄今唯一可培养的巨型噬菌体（megaphage）G，通过多组学与人工智能技术解决了其50年培养史中存在的基因组大小异常、末端结构争议问题。研究揭示了其499 kbp非置换线性基因组携带两对末端的独特结构，鉴定出>650个ORF（其中65%为假设蛋白）及多个辅助代谢基因（AMG），证实其通过调控宿主孢子形成（sspD, RsfA, spoK）和抗病毒逃逸基因（anti-CBass nuclease, Anti-Pycsar protein）操纵宿主生物学过程，为巨型噬菌体功能研究提供了关键范式。

　　

在病毒世界的微观宇宙中，噬菌体（bacteriophages）作为细菌的专性寄生者，遍布地球所有生态系统。其中一类特殊成员——基因组超过500 kbp的巨型噬菌体（megaphages），虽通过宏基因组学在全球多种环境中被频繁检测，却始终难以在实验室条件下培养。自1968年分离至今，噬菌体G一直是唯一成功培养的巨型噬菌体，但其基因组特征和功能机制长达50年未能完全解析。这种知识空白严重限制了人们对巨型噬菌体生物学特性及其与宿主互作机制的理解。

为此，研究团队整合牛津纳米孔长读长测序、质谱蛋白质组学与人工智能分析技术，对噬菌体G及其多个实验室变异株（包括RAW_WT, UT_MUT, UT_WT, RIT_WT, ATCC_WT）进行了全面基因组重测序、甲基化组和蛋白质组解析。研究特别关注了其基因组结构异常、功能基因分类、系统发育地位及粒子蛋白组成。

关键技术方法包括：通过纳米孔测序完成基因组从头组装与甲基化检测；利用液相色谱-串联质谱（LC-MS/MS）分析病毒粒子蛋白质组；应用PhageAI和vConTACT3.0进行生活方式预测和系统发育网络分析；采用AlphaFold2和ColabFold进行蛋白质结构预测；依托PHROG数据库进行功能注释；并通过比较基因组学分析其与近缘噬菌体（如Moose phage W30-1）的进化关系。

基因组特征

研究发现噬菌体G基因组为499 kbp线性非置换结构，携带两对末端重复序列（LTR），GC含量约29%，编码668-669个ORF。与2012年公布的NCBI_WT版本相比，新组装补全了约2 kbp缺失区域及LTR结构。比较基因组学显示各变异株间存在单核苷酸多态性（SNP），主要分布于假设蛋白编码区。

系统发育与分类地位

vConTACT3.0网络分析显示噬菌体G与Moose phage W30-1（419 kbp）聚类最近，平均核苷酸一致性（ANI）为81%。PhageAI预测其为温和型噬菌体（置信度96.45%），携带溶原性相关整合酶基因（ps548/gp662）。ICTV最新分类将其归为Donellivirus m gee属。

功能基因注释

超过40%基因组编码核酸复制、结构蛋白和辅助代谢基因（AMG）。富集分析发现涉及抗生素合成、谷胱甘肽代谢、生物膜形成及抗微生物耐药基因（如Dihydrofolate reductase-dfrA）。独特的是，噬菌体G携带调控宿主孢子形成基因（sspD, RsfA, spoK）和抗病毒逃逸基因（如anti-CBass nuclease和Anti-Pycsar protein）。

结构基因与蛋白质组验证

病毒粒子蛋白质组检测到16种结构蛋白，包括主要衣壳蛋白（MCP, ps609/gp27）、门户蛋白（ps596/gp14）和尾管组件（ps82-83/gp179-180）。系统发育表明其MCP属于HK97家族，而末端酶大亚基（TerL, ps583/gp1）与近缘噬菌体存在结构差异。此外鉴定到新型尾纤维相关酶（如GH113 Beta-mannanase ps562/gp673）。

DNA复制与修复机制

编码4个DNA聚合酶、16种内切酶和5种外切酶，其中55%核酸代谢相关蛋白在粒子中检测表达。值得注意的是，gyrase AB亚基（ps154/156）和uvsX-like重组酶（ps309/gp407）在噬菌体基因组中罕见存在，暗示其独立于宿主的复制调控能力。

研究结论强调噬菌体G的基因组独特性和功能多样性，其LTR结构、温敏特性及宿主调控基因为理解巨型噬菌体进化提供了新视角。多组学方法成功解决了长期存在的基因组大小争议（PFGE显示630 kbp而测序为499 kbp），证实异常源于DNA衍生化修饰而非置换现象。该研究不仅为探索未培养巨型噬菌体功能开辟了新途径，更凸显了实验室持续培养对病毒基因组稳定性研究的价值。论文发表于《npj Viruses》2025年第3卷，对病毒生态学与宿主-病毒互作领域具有里程碑意义。