Nature：长读长测序揭示人类肠道中的噬菌体动态

噬菌体是地球上最丰富的生物实体，在塑造微生物群落中发挥着关键作用。大多数噬菌体要么裂解细菌，要么整合到宿主的DNA中（原噬菌体）。然而，研究同一样本中的噬菌体与宿主仍具有挑战性。

近日，斯坦福大学的研究人员利用长读长宏基因组测序，揭示了人类肠道微生物组中的细菌与噬菌体如何互作。这项研究成果于11月26日发表在《Nature》杂志上。

斯坦福大学医学系教授Ami Bhatt领导的团队在文中指出：“这些发现共同阐明了人类肠道微生物组中噬菌体与细菌的动态作用，并拓展了我们对水平基因转移和微生物基因组可塑性背后的进化机制的了解。”

大多数人类肠道噬菌体属于原噬菌体（prophages）。区分染色体中的噬菌体区域与细菌区域向来困难，故近年来人们多采用宏基因组学分析。不过，多数批量研究采用短读长测序技术，无法解析重复元件。

在这项研究中，研究人员采用Oxford Nanopore长读长宏基因组测序技术和噬菌体预测工具，对在两年时间内采集自6名健康个体的粪便样本进行了分析。长读长数据补充了先前短读长方法获得的成果，实现了全长原噬菌体基因组的检测。

共同第一作者、斯坦福大学的Jakob Wirbel和Angela Hickey表示：“采用短读长测序技术时，新型噬菌体的从头组装过程相当复杂，尤其是将整合型噬菌体正确组装到其宿主背景中。关于噬菌体的活性仍存在很多疑问，特别是能在裂解性与溶原性生活方式之间切换的噬菌体。”

研究人员发现，大多数原噬菌体稳定整合在宿主中，仅有极少数噬菌体（5%）在人类肠道的细菌宿主中动态获得或丢失。他们指出，这种低水平的噬菌体复制与整合模式，与数学建模推算的噬菌体诱导率相吻合。

新研究还发现同一样本内存在异质性的噬菌体模式：某些宿主菌携带特定原噬菌体，而另一些则未携带。同样地，某些噬菌体似乎能适应不同分类家族中的多个宿主菌，这驳斥了严格宿主专一性的假说。

通过结构变异分析来确定原噬菌体的基因组边界，研究人员鉴定出原噬菌体侵入宿主菌基因组所用的整合机制。在此过程中，他们发现了一类名为“IScream”的噬菌体，它们缺乏常规整合酶序列，而是借助细菌IS30转座酶的活性实现转移。

“这些结果表明，IScream噬菌体在保留噬菌体活性的同时，调用细菌的IS30转座酶来实现噬菌体转移，突出了此前被忽视的肠道驻留噬菌体，” 作者写道。

下一步研究将阐明噬菌体参与的水平基因转移的功能后果和进化意义，同时解析整合酶序列的特异性及其潜在的生物技术应用价值。

“我们的研究揭示了整合型噬菌体在健康个体中的总体稳定性，但这些动态在不同疾病状态下如何变化仍值得探索，尤其是考虑到许多原噬菌体活性的诱导物尚未确定，” Wirbel和Hickey谈道。