婴儿肠道前噬菌体的普遍诱导及其对宿主功能的潜在调控作用

《npj Biofilms and Microbiomes》：Prophages in the infant gut are pervasively induced and may modulate the functionality of their hosts

编辑推荐：本研究通过分析662名1岁婴儿的肠道宏基因组和病毒组数据，首次系统揭示了前噬菌体在婴儿肠道中的普遍诱导现象（94.2%前噬菌体至少在一个样本中被诱导），发现最优势的Bacteroides phage Hanky p00'相关簇携带多样性生成逆转录元件（DGR）和荚膜多糖合成基因，证实诱导行为不受抗生素等环境扰动影响，为理解婴儿肠道病毒-细菌互作机制提供了新视角。

　　人类肠道是一个复杂的生态系统，其中病毒群落（病毒组）尤其是感染细菌的噬菌体（bacteriophages）占据重要地位。尽管细菌组分已被广泛研究，但整合在细菌基因组中的前噬菌体（prophages）及其在婴儿肠道中的行为模式仍知之甚少。婴儿期是肠道微生物组建立的关键窗口，其病毒组的高多样性被认为可能源于前噬菌体的诱导，但这一假设缺乏系统性验证。哥本哈根大学等机构的研究团队通过对COPSAC₂₀₁₀母婴队列中662名1岁婴儿的配对宏基因组和病毒组数据进行分析，揭示了前噬菌体在婴儿肠道中的普遍诱导现象及其功能特征，相关成果发表于《npj Biofilms and Microbiomes》。

研究采用深度宏基因组测序（平均48±15.5百万150-bp双端读长）与病毒组测序（平均3Gb/样本）相结合的技术路线。通过DeepVirFinder和VIBRANT软件预测前噬菌体序列，使用vCONTACT2进行聚类分析，并利用配对样本的病毒组读长映射至宏基因组contigs来鉴定诱导事件。宿主预测通过CRISPR间隔区匹配实现，功能注释采用EggNOG-mapper和KEGG通路分析。

研究首先从662份样本中鉴定出10,645个病毒操作分类单元（vOTUs），聚类形成2,934个病毒簇。值得注意的是，未发现存在于所有样本中的"核心前噬菌体"——最高流行率的vOTU仅出现在70%样本中。宿主预测显示65%的vOTUs可关联到细菌宿主，其中Bacteroides（12.2%）、Salmonella/Escherichia（6.3%）和Bifidobacterium（5.8%）是最常见宿主。特别引人注目的是，研究人员成功验证了5个vOTUs与先前从相同样本分离的大肠杆菌温和噬菌体具有高度基因组相似性（88.8-99.9%）。

对优势病毒簇1819（含82个成员）的深入分析显示，该簇与Bacteroides phage Hanky p00'高度相似，且49/82成员携带多样性生成逆转录元件（DGR），这些元件均靶向预测的尾纤维基因。功能注释揭示该簇编码dTDP-L-鼠李糖生物合成和甲基萘醌（维生素K2）合成通路相关基因，提示其可能通过修饰宿主脂多糖（LPS）和能量代谢影响细菌适应性。

最关键的发现来自诱导分析：在可评估的4,291个前噬菌体中，94.2%至少在1个样本中显著诱导（p<0.05，Bonferroni校正），仅250个从未显示诱导迹象。当仅考虑映射读长≥100的contigs时，26%的病毒组- contig对显示显著诱导。诱导模式分析表明，相同病毒簇的前噬菌体倾向于在相同样本中被共同诱导（PERMANOVA，R²=13.7%，p<0.001），且不同宿主菌属的诱导率存在差异（Blautia、Bifidobacterium和Erysipelatoclostridium相关前噬菌体诱导率最高）。

环境因素分析显示，抗生素使用、分娩方式、宠物接触等均未显著影响诱导率，仅兄弟姐妹的存在与略低诱导率相关（p=0.00495，但FDR校正后q=0.059）。这表明婴儿肠道前噬菌体的诱导可能是组成性（constitutive）而非应激驱动的现象。

该研究首次在人群尺度证实婴儿肠道前噬菌体普遍处于诱导状态，挑战了传统认为温和噬菌体主要以溶原状态存在的观点。优势病毒簇1819携带的DGRs和代谢基因暗示前噬菌体可能通过"搭便车"策略与宿主细菌协同进化——既通过DGRs扩展宿主范围，又通过代谢基因增强宿主适应性。未发现环境扰动对诱导率的显著影响，提示婴儿肠道的高菌群更替率本身可能构成持续的"自然应激"，驱动前噬菌体活跃参与微生物群落动态平衡。这些发现为理解早期生命肠道病毒组-微生物组互作机制提供了新框架，对认识微生物组相关疾病（如哮喘）的发育起源具有重要启示。