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北京时间4月12日，中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所马迎飞课题组与戴磊课题组合作在Cell Host & Microbe 发表题为 “Large-scale phage cultivation for commensal human gut bacteria ” 的最新研究成果，该工作首次建立了大规模肠道主要共生细菌噬菌体培养组技术，利用噬菌体培养物解析了肠道细菌和噬菌体长期共存的机制，并展示了这些噬菌体在肠道菌群调控中的应用潜力。

原文链接DOI：https://doi.org/10.1016/j.chom.2023.03.013

研究显示，噬菌体是人体微生态系统中最多样化却仍未被准确识别的成分。这些噬菌体和其宿主细菌之间的相互作用影响着人体健康。利用噬菌体疗法精准靶向调节肠道菌群是当前肠道微生物研究的前沿领域。鉴于噬菌体-细菌之间复杂的关系，解析肠道微生物群落中的噬菌体结构、组成和功能，对于开展针对肠道重要致病菌的噬菌体疗法至关重要。此外，宏基因组研究发现肠道中细菌和噬菌体可以长期稳定共存，它们能够稳定共存的机制是什么？开展以上研究，如何获得肠道细菌的噬菌体培养物是当前人体肠道微生物组研究中亟待解决的问题。

科研团队针对肠道常见共生细菌开发了一系列噬菌体分离培养技术。在测试的源自健康人的411株肠道共生细菌中，成功获得了可以分别侵染其中42个种细菌的209株非冗余噬菌体。这些菌包括15种拟杆菌、19种厚壁菌、4种放线菌和4种变形菌。这209个噬菌体，基因组大小在12kb-168kb之间，超过80%的噬菌体属于尚未被描述的分类属，显示了这些噬菌体具有很高的新颖性和多样性。

有趣的是，这些可培养的噬菌体中包含一类拥有极小基因组的有尾噬菌体，其基因组大小在10-20 kbp之间，并且分类上形成了一个独立的分支。它们的宿主细菌全部属于革兰氏阳性菌，这其中包括在人体肠道中广泛存在的双歧杆菌和梭菌。根据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，分别属于两个亚科和83个属。电镜照片显示Salasmaviridae 噬菌体属于短尾噬菌体(图1)，头部直径在30-50 nm，基因组具有相似的组织结构，并拥有保守的直系同源蛋白，如DNA 聚合酶等。此外，还发现有2株噬菌体PD491P1和AS73P1所代表的类群比crAss-like噬菌体（crAss-like噬菌体被认为是人体肠道中分布最广泛的噬菌体）在人群中有着更为广泛的分布（图2A和2B）。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2C），根据ICTV对有尾噬菌体分类的标准，科研团队将这些噬菌体归类为一个新的噬菌体科，暂命名为Paboviridae。

图1. 人体肠道中小基因组噬菌体的发现与表征

图2. 人体肠道高流行率的噬菌体新科 Paboviridae 的发现

之前的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。科研团队选取拟杆菌和副拟杆菌的噬菌体测试其宿主谱的范围。在上千次的交叉侵染测试中，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3A）。而且发现这些来自同一个种的细菌在菌株水平也表现出了多样性的噬菌体敏感性，即使这些细菌来自同一个人的粪便样本（图3B），表明肠道细菌在菌株水平存在复杂多样的噬菌体抗性机制。因此，肠道细菌在菌株水平多样性的噬菌体抗性机制是肠道细菌和噬菌体长期稳定共存的重要原因。

最后，为了证明使用GPIC噬菌体调节人类肠道菌群的可行性，团队选择了8种具有不同基因组序列和不同宿主特异性的脆弱拟杆菌噬菌体，组成了具有广宿主范围的噬菌体鸡尾酒。在三位供体粪便样本的肠道菌群体外培养体系中，噬菌体添加24h后，脆弱拟杆菌的丰度均显著降低了，同时伴随着菌群组成的剧烈变化（图3C和3D）。在更长时间的连续培养中，噬菌体鸡尾酒也可以降低脆弱拟杆菌的丰度（图3E和3F），显示出对目标物种的持久敲低作用。

图3. 人体肠道噬菌体的宿主特异性与菌群调控作用

综上，本研究针对肠道主要共生细菌构建噬菌体资源库，展示了这些噬菌体培养物在肠道菌群调控中的价值。利用这一资源拟开展的肠道噬菌体和细菌的互作研究，有助于深入了解肠道微生物组的多样性、功能和作用，为预防和治疗相关疾病提供新的思路和方法。

中科院深圳先进院马迎飞研究员和戴磊研究员为该论文的共同通讯作者，助理研究员沈俊涛为该论文的第一作者，该研究工作也得到了清华大学深圳国际研究生院李炳团队和香港大学张彤团队提供的重要帮助。

该工作得到国家重点研发计划（2019YFA0906700），中国科学院先导科技专项（XDB29050501），国家自然科学基金（31971513、32061143023），广东省基础与应用基础研究基金（2020A1515110184）和深圳市合成生物学创新研究院等项目的资助。

引文格式：Juntao Shen, Jieqiong Zhang, Luofei Mo, Yanchen Li, Yake Li, Cun Li, Xiaoxian Kuang, Zining Tao, Zepeng Qu, Lu Wu, Junyu Chen, Shiying Liu, Linfang Zeng, Zexi He, Zuohong Chen, Yu Deng, Tong Zhang, Bing Li, Lei Dai, Yingfei Ma. 2023. Large-scale phage cultivation for commensal human gut bacteria. Cell Host & Microbe 31: 665-677.e667. https://doi.org/10.1016/j.chom.2023.03.013

短评1

中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所马迎飞课题组与戴磊课题组针对生命暗物质噬菌体及其与宿主相互作用关系，采用噬菌体培养组技术成功分离培养了大量噬菌体，并对这些噬菌体的基因组和宿主谱进行了深度解析，发现大量噬菌体新类别，拓展了科学界对于噬菌体种类及其基因组多样性的认识，这项工作对于噬菌体的基础与应用研究具有重要意义。

点评专家

童贻刚 教授

北京化工大学生命科学与技术学院院长，博士生导师。复旦大学本科，军事医学科学院博士，加拿大UBC博士后

主要从事病毒学、微生物学、基因组学和生物安全研究。世卫组织新冠肺炎病毒溯源国际团队中方“动物与环境组”组长，国家传染病重大专项及合成生物学重点研发专项首席专家。教育部重点领域微生物病毒学课程虚拟教研室负责人暨微生物病毒学知识领域首席专家、国际病毒分类委员会（ICTV）委员、中国生物工程学会噬菌体技术专业委员会主任委员、中国微生物学会医学微生物学与免疫学专业委员会副主任委员、北京医学会微生物学与免疫学分会常委。发表SCI论文310余篇，Nature论文三篇，Cell论文一篇，相关研究被评为2015年度“中国科学十大进展”之一。

短评2

人类肠道丰富的噬菌体群落与肠道细菌存在捕食和共生等关系，并通过复杂的噬菌体—菌群—人类相互作用，最终影响人类健康。我们对肠道噬菌体的了解主要来源于宏基因组研究，这是一种分析病毒群落结构和功能潜力的高通量方法，但通常只能提供未培养肠道噬菌体的静态视角。培养组学可以完美地与病毒宏基因组学互补结合，进一步系统研究肠道噬菌体的分子特征。

该工作建立了高通量肠道噬菌体培养组技术，并成功分离并培养200余种肠道噬菌体，包含一类拥有极小基因组的分类独立的有尾噬菌体。这些噬菌体展现了高度的宿主特异性且无跨种侵染现象，表明肠道噬菌体与宿主存在多样的抗性机制。另外，基于不同脆弱拟杆菌噬菌体的鸡尾酒方法也显示出了持续降低菌群丰度的作用。与这项研究更加引领未来肠道病毒组研究重心的转变。这套噬菌体分离和培养流程不仅有助于加速揭示肠道噬菌体动态活性的分子机制，还有望将更新的研究成果应用于改善与肠道噬菌体和肠道菌群相关的健康和疾病状态，提出类似于“益生菌”的有利于促进健康的肠道微生物。肠道噬菌体培养组和宏基因组技术的发展与整合，不仅代表依赖于培养和不依赖于培养的研究方法的互补，更预示着人类复杂肠道微生态系统的完整和统一。

点评专家

崔杰 研究员

中国科学院上海巴斯德研究所研究员、博士生导师，病原生物信息学研究组组长

中科院上海巴斯德所病原生物信息学研究组组长。研究方向包括：1）RNA病毒起源与演化；2）病原基因组流行病学；3）高通量病毒组技术。实验室采用生物信息学结合病毒学的“干湿”手段，在Nature Review Microbiology, National Science Review, Science Bulletin, Genome Biology, Molecular Biology and Evolution, Emerging Infectious Diseases, PLoS Pathogens, Journal of Virology等杂志发表论文70篇；总引用次数=12420，H-index=32。常年为Science, Nature Review Microbiology, National Science Review, Science Bulletin, PNAS, Briefings in Bioinformatics, Nature Communications, Science China Life Sciences, Molecular Biology and Evolution, mBio, PLoS Pathogens, Journal of Virology等多个杂志审稿。目前担任National Science Review、iMeta等杂志青年编委（编委）。

短评3

肠道噬菌体组和肠道细菌互作是目前肠道微生物组领域研究的热点之一。之前关于噬菌体的研究大部分停留在测序层面及肠道噬菌体小规模的分离培养。这篇文章立意新颖，实验设计巧妙。作者通过从污水和粪便样品中大规模的分离和鉴定，以及和肠道细菌的共培养，鉴定和分离出209株噬菌体以及他们对应的肠道细菌宿主。作者通过之后一系列的实验，证明这些噬菌体对感染宿主有高度的选择性。最有趣的是文章证明了这些噬菌体因为其对宿主的高度选择性，可以在复杂菌落中精准调控对应菌属的丰度。肠道微生物组的精准编辑具有广泛的生物医疗应用前景，通过这篇文章，作者证实肠道噬菌体是精准编辑和调控肠道细菌组成的利器之一。

点评专家

郭春君 助理教授

美国威尔康奈尔医学院

2009 年本科毕业于复旦大学药学系，2015 年在美国南加州大学药学院获得博士学位，师从 Clay C.C.Wang 教授，随后到美国加州 UCSF 和 Standford 进行博士后训练，在 Michael Fischbach 教授课题组从事肠道微生物小分子作用机理的研究。2018年9月入职美国 Cornell University-Weill Cornell Medicine 担任 Assitant Professor (Tenure-Track)，开展独立研究工作。课题组目前已获得“2019 NIH Director’s New Innovator Award” 项目支 持。研究方向为利用基因编辑技术(CRISPR)改造肠道菌群，研究其释放小分子的生物活性及对宿主生理功 能的影响。目前已在综合或专业领域内权威期刊(Science, Cell, Nat. Commun, JACS, PNAS)等发 表论文 31 篇。https://scholar.google.com/citations?user=tY8JGkAAAAAJ&hl=en

作者简介

通讯作者

戴磊 研究员

中国科学院深圳先进技术研究院

● 中国科学院深圳先进技术研究院博士生导师，合成微生物组研究中心主任。国家重点研发计划青年项目负责人，入选《麻省理工科技评论》中国区“35岁以下科技创新35人”。

● 戴磊实验室在定量生物学、合成生物学与微生物组学的交叉领域进行原创性研究，致力于对宿主共生微生物组的结构和功能进行精准表征和调控，解决人体健康、农业生产等重大问题。近五年研究成果以（共同）通讯作者发表在Cell Host & Microbe、Nature Communications、The ISME Journal、ACS Synthetic Biology、iMeta等学术期刊。

通讯作者

马迎飞 研究员

中国科学院深圳先进技术研究院

● 博士生导师，中科院深圳先进技术研究院合成生物学研究所研究员。

● 目前实验室主要聚焦噬菌体开展噬菌体合成生物学和噬菌体疗法研究，包括：利用高通量测序技术，开发生物信息学工具从环境和人体宏基因组数据中鉴定噬菌体序列，研究噬菌体的多样性及其在环境和人体中的功能；利用噬菌体专一杀灭细菌的特性，通过合成生物学方法设计合成人工噬菌体，应用于耐药菌感染的治疗；在国内较早的开展了在水产养殖和临床上应用噬菌体防治超级耐药菌的研究。近五年，在国际权威刊物Cell Host Microbe、Nucleic Acids Res、Nat Commun、Microbiome等以通讯作者发表论文20余篇。作为项目负责人承担国自然面上，科技部重点研发课题，深圳市孔雀团队,深圳市学科布局等各级项目。担任生物工程学会合成生物学分会委员、噬菌体技术专业委员会委员、生物物理学会肠道菌群分会委员等。

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期刊简介

“iMeta” 是由威立、肠菌分会和本领域数百位华人科学家合作出版的开放获取期刊，主编由中科院微生物所刘双江研究员和荷兰格罗宁根大学傅静远教授担任。目的是发表原创研究、方法和综述以促进宏基因组学、微生物组和生物信息学发展。目标是发表前10%(IF > 15)的高影响力论文。期刊特色包括视频投稿、可重复分析、图片打磨、青年编委、前3年免出版费、50万用户的社交媒体宣传等。2022年2月正式创刊发行！

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