研究人员开发了一种系统的噬菌体培养工作流程来分离人类肠道细菌的噬菌体，具体如图1所示。共以源自健康供体的411株细菌为宿主进行噬菌体分离，成功获得了209株非冗余噬菌体，对应42种肠道共生菌。其中拟杆菌门15种、厚壁菌门19种、放线菌门4种和变形菌4种。这些噬菌体基因组大小在12kb-168kb之间，其中86%的噬菌体尚未被描述和分类。

▲图1人类肠道噬菌体的系统培养

有趣的是，研究人员发现一组基因组很小的噬菌体，大小均在10-20kb之间。并且它们的宿主细菌均为革兰氏阳性菌，包括梭状芽孢杆菌、双歧杆菌等。根据国际病毒分类委员会（International Committee for the Taxonomy of Viruses，ICTV）对有尾噬菌体分类的标准，所有这些小基因组噬菌体都被归类为Salasmaviridae病毒科。基于共享基因的热图分析显示，该分支噬菌体的宿主包括31个属：厚壁菌门（25属）、放线菌门（5属）和柔壁菌门（1属）（图2B）。透射电镜照片显示这些噬菌体属于短尾噬菌体（图2C），头部直径在30-50nm，基因组具有相似的组织结构，并拥有保守的直系同源蛋白，包括DNA聚合酶、DNA包封蛋白和主要衣壳蛋白等。

▲图2 Salasmaviridae噬菌体的特性分析

通过检测噬菌体的流行率，研究人员发现了2株噬菌体PD491P1和AS73P1，在人群中有着非常广泛的分布。它们的基因组序列与大小高度相似，且这些噬菌体的宿主细菌都属于拟杆菌目，包括Bacteroides、Alistipes、Odoribacter、Parabacteroide、Prevotella和Barnesiella等人体肠道中主要的拟杆菌成员，但是它们和其它已经分离的这类细菌的噬菌体显著不同，形成了一个独立的分支（图3），根据ICTV对有尾噬菌体分类的标准，研究人员将这些噬菌体归类为一个新的噬菌体科，暂命名为Paboviridae。

▲图3 新兴噬菌体科Paboviridae的特征

生物信息学分析表明，约三分之一的人类肠道噬菌体可能具有广泛的宿主范围，而不限于单一物种的宿主。为了探索人类肠道噬菌体的跨物种感染能力，研究人员进行了多次交叉侵染测试，均没有观察到噬菌体跨种侵染宿主的现象，表明这些噬菌体具有高度的宿主特异性（图4A），而且来自同一供体相同种的不同菌株也表现出了不同的噬菌体敏感性（图4B）。

为了证明利用噬菌体调节人类肠道微生物群的可行性，研究人员选择了8种基因组序列不同、宿主特异性不同的脆弱拟杆菌噬菌体，制备了具有广泛宿主范围的含有8种针对脆弱拟杆菌不同菌株的噬菌体鸡尾酒，将这种噬菌体混合物添加到从三个供体的粪便样本中提取的肠道微生物群落的体外培养系统中。结果显示，噬菌体添加24h后，脆弱拟杆菌的丰度均显著降低了，同时肠道菌群的组成也发生了剧烈变化（图4C和4D）。并且在更长时间的连续培养中，噬菌体鸡尾酒持续降低脆弱拟杆菌的丰度（图4E和4F），显示出对目标物种的持久抑制作用。

▲图4 人类肠道噬菌体的宿主特异性

在本研究中，共获得了42种肠道细菌的209个非冗余噬菌体，这些噬菌体的宿主涵盖了人类肠道中四个主要菌门，证明了从人类肠道中分离多种共生肠道细菌的特异性噬菌体的可行性。并且定义了一个从未被描述的家族，命名为Paboviridae，其在人类肠道中有很高的定植率。此外，该研究还通过体外培养发现噬菌体鸡尾酒能够成功降低脆弱芽孢杆菌的丰度，证明了噬菌体分离物在靶向去除人类肠道微生物群中的病原体方面具有潜在的应用前景。

综上，本研究针对肠道主要共生细菌构建噬菌体资源库，展示了噬菌体培养物在肠道菌群调控中的价值，有助于阐明噬菌体在肠道微生物组中的作用，并支持基于噬菌体的微生物群调节在科学和治疗研究中的应用。

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作者｜段凯旋（河北医科大学）

审校｜王伟刚、赵建宏（河北医科大学第二医院、河北省临床检验中心）