肠道病毒组调控宿主-微生物组氮分配：噬菌体-细菌互作与肠道“病毒分流”

《iMeta》：Gut virome orchestrates nitrogen partitioning between the host and microbiome

　　

膳食蛋白质对宿主生长和氮稳态至关重要。膳食蛋白质如何塑造肠道噬菌体–细菌相互作用，以及如何将膳食线索转化为宿主生理结局，仍知之甚少。研究人员显示，低蛋白饮食（low-protein diet，LPD）通过改变噬菌体–细菌动态，显著重塑小鼠肠道病毒组。在LPD下，营养应激抑制细菌噬菌体释放，而未改变预测的溶原性噬菌体比例，导致游离噬菌体丰度降低和细菌裂解减弱。携带碳水化合物相关辅助代谢基因（auxiliary metabolic genes，AMGs）的溶原性噬菌体可能促进细菌宿主群体扩张，同时抑制脲酶（urease）介导的氮回收。高细菌载量与低游离噬菌体可利用性耦合形成氮陷阱，既隔离宿主可利用氮，又加速尿素损失，从而限制宿主生长。正常饮食（normal diet，ND）病毒组以高游离噬菌体丰度和裂解潜力为特征；等量大小的LPD噬菌体池与ND病毒组均部分挽救了饲喂LPD小鼠的氮流。这些结果揭示了此前未被识别的肠道“病毒分流”（viral shunt），其中平衡的噬菌体–细菌相互作用在肠道内重新分配氮。总之，本研究强调噬菌体–细菌相互作用在宿主营养适应中的生态学意义，并提示靶向病毒操作可能为蛋白质缺乏相关疾病提供潜在治疗策略。

儿童期蛋白质-能量营养不良（protein–energy malnutrition，PEM）与体格生长和发育受损相关；相关膳食常以碳水化合物为主、蛋白质严重受限，造成能量与氮可利用性长期失衡。宿主-微生物互作是营养代谢核心，营养不良儿童肠道菌群失调可能主动驱动营养缺乏和持续生长失败。生理条件下，哺乳动物依赖尿素氮 salvage（urea nitrogen salvage，UNS）维持氮稳态：宿主尿素进入肠腔，表达脲酶（urease）的肠道细菌将其水解为氨，氨可被重吸收并进入非必需氨基酸。低蛋白饮食（low-protein diet，LPD）下，细菌脲酶活性明显降低，UNS效率受损，可能限制宿主回收内源氮。既往宏基因组研究记录营养不良宿主细菌群落组成和功能潜力变化，但上游驱动因素不清。肠道病毒组（virome）以噬菌体为主，日益被认为是微生物生态系统关键调节者。噬菌体可通过携带辅助代谢基因（auxiliary metabolic genes，AMGs）重编程细菌代谢，或通过“杀死赢家”（kill-the-winner）动态选择性裂解优势细菌，改变群落水平营养流。膳食因素可重塑肠道病毒组，但肠道病毒组是否及如何参与LPD代谢功能障碍尚未系统研究。因此，研究人员利用多组学、粪便病毒组移植（fecal virome transplantation，FVT）和¹⁵N示踪，研究蛋白限制下肠道病毒组如何调控宿主氮代谢。研究显示LPD改变肠道病毒组，富集噬菌体编码AMGs，与细菌碳水化合物利用增加和脲酶依赖氮 salvage 降低相关；正常饮食（normal diet，ND）供体病毒组移植可挽救宿主生长，尽管UNS持续受损。总体上，增强的噬菌体捕食触发“肠道病毒分流”（gut viral shunt），释放细菌蛋白作为替代氮源。这些发现确立噬菌体组作为生态缓冲器，在氮限制条件下补偿经典酶促共生失败。论文发表在《iMeta》。

关键技术方法方面，研究人员以杭州医学院购买的3周龄雄性C57BL/6J小鼠为样本队列，建立LPD和ND喂养模型。关键技术包括：病毒样颗粒（virus-like particles，VLPs）富集与纯化、病毒组和细菌宏基因组测序及生物信息学分析；FVT实验，包括ND病毒组移植至LPD小鼠、LPD病毒组移植至ND小鼠、2×LPD及共笼养；体外单碳源发酵评估碳源利用；基于宏基因组组装基因组（metagenome-assembled genomes，MAGs）和原噬菌体（prophage）鉴定AMGs；¹⁵N-尿素和¹⁵N-NH₄Cl肝脏同位素示踪结合LC-MS；流式细胞术、SYBR Gold/7-AAD染色、噬菌体定量与体外交叉感染。样本来源为3周龄雄性C57BL/6J小鼠，购自Hangzhou Medical College。

结果部分：

LPD alters the gut virome and impairs UNS（LPD改变肠道病毒组并损害UNS）：研究人员建立LPD模型，将粗蛋白从ND的19.4%降至6%，以碳水化合物补偿。21日龄断奶小鼠暴露于LPD后，体重增长、体长和股骨长降低，饲料增重比（F/G）增加。VLP富集宏基因组显示，LPD未显著改变病毒α多样性，但β多样性分离，Microviridae在科水平扩张，病毒AMGs富集碳水化合物代谢功能。细菌α多样性大体不变，但群落结构重塑，Akkermansia、Acetatifactor等可利用宿主糖蛋白或非蛋白底物的细菌富集，糖苷水解酶（glycoside hydrolases，GHs）和糖基转移酶（glycosyl transferases，GTs）富集；脲酶活性和氮代谢模块下调，完整脲酶基因簇细菌减少。LPD小鼠粪便尿素氮升高、血清尿素氮降低。结论是LPD重塑噬菌体–细菌网络，系统性破坏肠道微生物氮回收。

LPD-derived virome alters bacterial metabolism and impairs UNS to drive host growth retardation（LPD来源病毒组改变细菌代谢并损害UNS，驱动宿主生长迟缓）：FVT将LPD来源病毒组移植入ND小鼠（FL组），重现供体生长受损表型。FL小鼠细菌群落组成改变，Acetatifactor扩张，尿素酶成熟和尿素代谢受抑，粪便尿素氮升高，碳水化合物代谢、降解和转运基因上调。体外发酵中，LPD和FL组早期纤维素降解增强，FL呈中间代谢表型。MAG和原噬菌体分析发现，Acetatifactor携带原噬菌体，编码磷酸甘油酸变位酶（phosphoglycerate mutase，pgm）和6-磷酸果糖激酶-1（6-phosphofructokinase-1，pfkA）等AMGs；pgm在LPD供体病毒组和FL细菌宏基因组中升高，并抑制产脲酶菌。¹⁵N-尿素示踪显示，FL肝脏必需氨基酸（essential amino acids，EAAs）中亮氨酸、组氨酸和蛋氨酸标记降低，赖氨酸仅在ND小鼠检出，缬氨酸仅在FL小鼠出现；非必需氨基酸（non-essential amino acids，NEAAs）中仅谷氨酸降低。FL粪便细菌丰度较低，等量接种尿素筛选培养基后生长较慢、胞外氨较低。结论是LPD来源病毒组主动驱动宿主生长限制。

ND-derived virome promote host growth via non-canonical nitrogen recycling（ND来源病毒组通过非经典氮回收促进宿主生长）：FVT将ND来源病毒组移植入LPD小鼠（FN组），FN小鼠体重增加，体长和股骨长恢复，F/G降低。FN菌群Shannon和Simpson指数降低，组成未恢复至ND。功能上，简单糖转运系统和蛋白水解基因下调，复杂非淀粉多糖（non-starch polysaccharides，NSPs）酶富集，氨基糖和核苷酸糖代谢上调。氮代谢层面，UreE和尿素转运功能部分恢复，但核心脲酶催化亚基ureA、ureB、ureC和镍掺入仍低，粪便尿素氮与LPD对照相当，血清尿素氮升高。结论是FN介导的生长恢复不依赖经典脲酶驱动氮回收，而可能涉及非经典氮通路。

ND-derived phageome exhibits enhanced lytic capacity promoting bacterial protein release（ND来源噬菌体组表现增强裂解能力，促进细菌蛋白释放）：裂解性和溶原性噬菌体比例无显著差异，但ND小鼠VLP绝对丰度约为LPD小鼠2倍。ND组总细菌载量较低，但膜完整性受损细菌约30%，LPD组约10%。体外GAM-BB培养中，LPD来源噬菌体在早期释放较快；低蛋白条件抑制噬菌体释放。交叉感染实验中，ND噬菌体对LPD相关细菌造成最高膜损伤和上清粗蛋白释放，2×LPD组中间，热灭活ND组最低。结论是蛋白限制降低病毒粒子绝对丰度，ND来源噬菌体以丰度依赖方式增强裂解并释放胞内蛋白。

Viral shunt-mediated release of bacterial biomass maintains host nitrogen homeostasis（病毒分流介导细菌生物量释放，维持宿主氮稳态）：体内FVT ND、2×LPD和共笼养实验中，FN生长最佳，FL最差，共笼养和2×LPD组中间；体成分未见脂肪或瘦软组织比例显著差异，提示体重增加反映蛋白获得。FN在12 h粪便活菌约下降50%，48–72 h逐渐恢复；共笼养组中度下降且较稳定；2×LPD组12 h无明显杀菌，48–72 h延迟减少并伴部分生长改善。¹⁵N-NH₄Cl示踪避开尿素酶和肝转氨混杂，FN小鼠肝脏微生物来源EAAs增加，苏氨酸和组氨酸显著升高，赖氨酸和蛋氨酸非显著升高。结论是噬菌体介导的细菌周转促进微生物氮向宿主转移。

讨论部分总结：讨论指出PEM仍是全球儿童发育障碍的重要驱动，肠道菌群失调是主动驱动还是被动反映存在争议。研究人员整合多组学与¹⁵N稳定同位素示踪，揭示肠道病毒组在宿主-微生物氮分配中的核心调节作用。低蛋白应激下，噬菌体相关代谢转变与细菌脲酶活性降低、尿素氮回收下降相关，可能限制宿主氮可利用性；引入ND来源病毒组可通过细菌裂解释放氮供宿主利用。这些发现挑战传统酶促共生观点，提出基于生态捕食的非经典氮补偿机制。宿主恢复独立于尿素回收功能恢复：表型恢复小鼠核心脲酶基因丰度仍低，粪便尿素氮仍高；高丰度ND噬菌体执行kill-the-winner策略，并作为肠道病毒分流裂解优势菌，释放蛋白和氨基酸。LPD本土噬菌体组在能量限制下可能无法启动补偿性裂解，偏向溶原并表达AMGs互利生存；移植到蛋白充足宿主后，因病毒载量不足或LPD相关菌占据“无捕食”生态位而未能诱导裂解。2×LPD病毒组可增强LPD小鼠生长，并伴粪便细菌裂解增加。讨论还强调VLP丰度不等于感染性，LPD环境可能抑制噬菌体诱导和释放、损害噬菌体组装成熟，ND噬菌体在营养充足下更有效组装。转化方面，全病毒组移植存在生物安全、标准化等障碍；未来可恢复原位噬菌体–细菌裂解互作，或诱导LPD相关细菌休眠原噬菌体，或使用工程噬菌体鸡尾酒靶向氮螯合菌，群体淬灭剂可作为补充。局限包括小鼠模型、计算预测不能解析诱导状态/感染性/功能贡献，pgm和pfkA功能需实验验证，未能用丝裂霉素C诱导原噬菌体，肝组织同位素示踪支持但未直接建立完整通路，需无菌模型、定义噬菌体–宿主联合体和遗传操作。结论翻译：总之，研究人员的发现揭示肠道噬菌体组在调控宿主氮代谢中的双重作用。正常条件下，噬菌体介导细菌裂解促进微生物蛋白释放并维持向宿主的氮回收。相反，膳食蛋白质限制重塑噬菌体–细菌互作和微生物代谢，损害细菌氮利用并最终削弱宿主氮代谢。