《Current Research in Biotechnology》：Cryptic viral elements in probiotic genomes: Latent regulatory modules and emerging tools for microbiome biotechnology
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隐匿性病毒元件（cryptic viral elements，CVEs）是整合于细菌染色体中的病毒来源基因组序列，这些序列已丧失形成感染性颗粒的能力，但在进化过程中被保留下来。新近证据表明，部分CVEs并非惰性遗迹，而是在某些细菌系统中具有功能活性，可参与应激
隐匿性病毒元件（cryptic viral elements，CVEs）是整合于细菌染色体中的病毒来源基因组序列，这些序列已丧失形成感染性颗粒的能力，但在进化过程中被保留下来。新近证据表明，部分CVEs并非惰性遗迹，而是在某些细菌系统中具有功能活性，可参与应激适应、基因调控与基因组稳定性；其中包括乳杆菌属和双歧杆菌属等益生菌类群。例如，缺陷性前噬菌体区域与氧化应激耐受及营养受限条件下的持续存活相关，尽管这些作用仍表现出环境依赖性和菌株依赖性。本综述系统评析了益生菌基因组中CVEs的起源、多样性及功能相关性，并区分了经实验支持的功能与基于推断提出的代谢灵活性及水平基因转移相关作用。文章还评估了当前用于CVE检测的生物信息学方法，重点讨论其局限性，包括序列退化与注释偏倚。尽管CVEs已被提出可作为菌株改良和微生物组调控的潜在工具，但直接实验验证仍然有限。关键挑战包括功能表征不完整以及生物安全性问题尚未解决。弥补这些缺口将是评估在应用微生物学与生物技术中利用CVEs可行性的关键。
1. Introduction
文章首先界定了隐匿性病毒元件（cryptic viral elements，CVEs）的基本概念，指出细菌基因组中普遍存在来源于历史性噬菌体感染的病毒DNA。这类病毒来源序列并非单一类型，而是构成了一个连续谱，涵盖完整且可诱导的前噬菌体、部分退化的缺陷性前噬菌体以及高度缩减的CVEs。文中强调，CVEs是因突变衰败或调控失活而失去产生感染性颗粒能力、但稳定嵌入宿主染色体中的整合病毒残余。作者认为，这些元件不应再被简单视为惰性“基因化石”，因为越来越多证据显示其可影响转录调控、代谢适应性和生态适合度。
随后，文章重点区分了活性前噬菌体、缺陷性前噬菌体与CVEs三者之间的概念边界。活性前噬菌体保留较完整结构并具可诱导性；缺陷性前噬菌体虽丧失部分功能，但仍可能保留某些残余病毒活性；而CVEs则被界定为不可诱导、显著退化或已被“驯化”的病毒元件，不再参与病毒复制。作者指出，实际注释中这些类别常被混用，导致功能解释不一致，因此有必要将CVEs作为独立基因组元件进行系统评估。
在研究对象选择上，文章说明益生菌是研究CVEs的理想体系，因为其具有重要生态意义、较高基因组可解析性，并广泛应用于食品与健康领域。作者列举了植物乳杆菌等菌株的基因组研究，指出其移动遗传元件丰富，其中前噬菌体来源区域可能与应激耐受和代谢特化有关。类似地，病毒相关区域也被报道与γ-氨基丁酸生成、碳水化合物利用及环境韧性相关。不过，文章强调现有证据多为相关性证据，尚难明确区分CVEs与活性或缺陷性前噬菌体各自的真实贡献。
作者进一步从历史与进化角度说明，缺陷性前噬菌体早已被识别，而随着全基因组测序和宏基因组学发展，类似元件在发酵和益生菌体系中被更广泛发现。前噬菌体来源区域常编码转录调控因子、重组酶和应激响应决定因子，这些组分可能被宿主征用并服务于宿主适应。整体上，本节提出本文综述目标，即澄清概念区分、评估已有实验支持证据、分析现有检测框架，并讨论其生物技术应用潜力与局限。
2. Diversity and origins of CVEs in probiotic bacteria
本节围绕CVEs在益生菌中的多样性与进化起源展开，指出CVEs并非同质化插入序列，而是在结构完整性、基因组成和宿主整合程度上存在显著差异的病毒来源序列集合。这种异质性反映了前噬菌体逐步降解和驯化的连续过程，也将历史性的噬菌体互作与当前益生菌的基因组结构和适应潜力联系起来。
2.1. CVE diversity across probiotic genomes
作者指出，基因组尺度研究表明病毒来源元件广泛存在于益生菌中，但不同分类单元和不同菌株之间，其丰度与组成差异明显。乳杆菌属、双歧杆菌属、链球菌属和肠球菌属等主要益生菌类群中，大量基因组含有前噬菌体来源区域，且许多菌株携带多个完整程度不同的元件。不过，只有其中一部分可被严格归类为真正的CVEs，因为不少区域仍保留部分可诱导性或结构模块。比较研究提示，在宿主相关细菌中，完整前噬菌体较少，而缺陷性前噬菌体与碎片化病毒残余更常见。
作者进一步强调菌株水平的异质性。商业益生菌基因组间在前噬菌体来源位点的数量、大小和组织方式上存在差异，这可能反映其对特定生态位或工艺环境的适应。以植物乳杆菌为例，大规模基因组调查显示其前噬菌体含量具有谱系特异性，并与发酵生态位相关。结构上，这些元件从保留衣壳或尾部相关基因的大型残余，到仅编码调节蛋白、重组酶或毒素-抗毒素系统的紧凑位点均有分布。
2.2. Structural and functional classification of CVEs
为解决术语混乱，文章提出按结构完整性和功能潜力，将前噬菌体来源元件操作性地分为三类：活性前噬菌体、缺陷性前噬菌体和CVEs。CVEs被置于这一谱系的最末端，指高度退化、不可诱导且不再支持病毒传播的序列。作者指出，在该框架下，CVEs可表现为碎片化操纵子、孤立病毒基因或已被整合入宿主调控网络的整合性元件。缺陷性前噬菌体则位于中间状态，虽保留可识别结构特征，但已缺乏完整功能。最简化的形式则是整合酶、穿孔素（holin）和转录调控因子等被宿主利用的病毒驯化基因。文章认为，该分类框架为后续界定其生物学作用提供了必要基础。
2.3. Evolutionary origins and dynamics of CVEs
在进化起源层面，作者认为CVEs的形成源于长期的病毒—宿主互作，经历了反复感染、染色体整合、突变退化和功能保留等过程。系统发育分析提示，许多CVEs来自整合入祖先基因组的温和噬菌体，随后通过突变与重组被持续改造。某些元件在特定谱系中的保守性说明其可能通过垂直遗传被保留，同时伴随对宿主有利功能的选择维持。另一方面，水平基因转移也促成了马赛克式基因组结构，使病毒模块可在近缘菌株间交换和重排。
作者强调，选择压力在这一过程中具有核心作用。与裂解复制相关的基因通常被失活或丢失，而那些增强宿主适合度的功能，如调控控制、应激响应和防御机制，则更容易被保留。比较基因组结果常发现CVEs与感染近缘宿主的现代温和噬菌体之间存在序列相似性，支持其“重复获得—逐步驯化”的模型。
2.4. Environmental and functional drivers of CVE diversity
本小节从环境和功能角度解释CVE多样性的驱动因素。作者指出，在发酵体系中，营养供应、pH和微生物竞争等因素会施加选择压力，从而有利于保留那些有助于应激耐受和过程稳定性的前噬菌体来源性状；在胃肠道环境中，宿主互作和代谢灵活性相关压力则可能促进病毒来源调控模块持续存在。高细胞密度及频繁微生物互作还会促进水平基因转移，进一步增加CVE内容多样化。
功能研究支持保留的前噬菌体来源元件可影响应激响应通路、超感染抗性和代谢活性等细菌表型；在群落层面，噬菌体—宿主互作还可能影响微生物组结构与稳定性。不过，作者谨慎指出，当前尚无法充分分辨这些效应究竟由CVEs本身产生，还是主要来自活性或缺陷性前噬菌体。文章最后总结，标准化分类框架、改进注释工具和实验验证是建立CVE与益生菌功能因果联系的关键前提。
3. Functional roles and mechanistic impacts of CVEs in probiotic strains
本节讨论CVEs在益生菌菌株中的功能角色与机制影响。作者指出，CVEs能长期保留于益生菌基因组，说明其意义可能超出中性遗传漂变，但其功能贡献具有明显异质性：少数位点已有实验支持，多数功能仍主要来自基因组环境推断或相关性分析。因此，区分已验证机制与假说性功能是正确理解该领域的前提。
3.1. Functional scope of CVEs in probiotic bacteria
作者概述了CVE相关基因常富集于调控和重组相关功能，如转录调控因子、整合酶和小RNA。这类元件更可能作为宿主基因网络的组成部分，而非独立运作的病毒模块。在益生菌体系中，这种互作通常在应激或环境扰动下更为明显，因为潜伏的病毒位点可能被转录激活，或间接调控宿主通路。发酵与胃肠道模拟实验的观察提示，这些前噬菌体来源区域可能影响菌株的稳健性及其在加工与宿主体内转运过程中的存活。
3.2. Regulation of stress responses: experimentally supported roles
本小节指出，应激适应是目前得到支持最一致的CVE相关功能之一。乳杆菌属实验研究表明，包含缺陷性元件在内的前噬菌体来源位点可对酸、胆盐和氧化条件等环境应激作出转录响应。尤其是某些可诱导前噬菌体残余中的类穿孔素蛋白和调控因子，被证明会影响膜完整性和细胞在应激下的存活。作者据此认为，尽管这些元件已丧失裂解能力，某些病毒来源模块仍保留了功能活性。与此同时，CVE编码的转录因子和小RNA也可能参与调节应激响应基因网络，但此类因果证据目前仍局限于少数已验证体系。
3.3. Influence on metabolism: emerging but largely indirect evidence
关于代谢调控，文章认为现有支持主要来自多组学和比较基因组证据。整合转录组学与代谢组学的研究显示，前噬菌体来源调控区域可能在环境变化下影响营养利用通路和代谢通量。双歧杆菌中，CVE相关位点与增强聚糖代谢及宿主来源底物利用存在相关性，提示其可能有助于肠道生态适应。然而，这些观察大多缺乏直接遗传操作或功能测定支撑，因此作者将CVE介导的代谢灵活性界定为“合理但尚未广泛证实”的机制。
3.4. Horizontal gene transfer and genome plasticity
作者指出，CVE相关重组机制为有限度的基因组流动性提供了可能基础。许多CVEs保留整合酶、重组酶或切除相关蛋白，在特定条件下可能介导DNA重排或基因转移。基因组研究提示，这类元件可能参与适应性性状的扩散，包括代谢功能与应激响应决定因子。然而，在益生菌体系中，直接证明CVEs主动介导水平基因转移的证据仍然稀少，而且CVEs与部分功能残存前噬菌体在基因流动中的相对贡献尚未厘清。文章特别指出，这一区分与生物安全密切相关，因为相关移动性可能伴随抗微生物耐药决定因子传播风险。
3.5. Roles in host–microbe and community-level interactions
在宿主—微生物及群落层面，作者总结CVEs可能影响黏附因子、表面蛋白及胞外多糖生物合成通路的表达，从而改变定植效率与持续存在能力。有些研究提出，前噬菌体残余编码的结构蛋白甚至可能形成类病毒颗粒或表面复合体并参与宿主免疫互作，但直接实验证据仍有限。群落层面上，CVE相关基因还与细菌素产生、群体感应调节和多物种群落中的竞争互作有关，不过这些功能通常不能完全归因于CVEs本身，其生态效应呈明显情境依赖性。
3.6. Regulatory RNAs and cryptic control circuits
文章特别提出CVE来源小RNA是一个新兴研究方向。病毒来源调控RNA可通过影响mRNA稳定性和翻译效率调节宿主基因表达，从而以较低代谢负担实现精细控制。系统层面分析也提示RNA介导调控可能参与微生物群落内部协调。然而，在益生菌体系中，这类CVE来源RNA的直接功能解析仍十分有限，其生理意义尚待进一步研究。
3.7. Integrated impact on probiotic performance
综合来看，作者认为CVE相关机制共同影响益生菌功能表现，包括应激耐受、代谢适应性和生态持续性。实验研究提示其可改善菌株在胃肠道和工业条件下的存活，而基因组与代谢分析则支持其对发酵效率和生物活性代谢物生成的潜在贡献。在生态系统尺度上，CVEs还可能影响微生物组的稳定性和韧性。不过，作者强调，当前对于有多少CVEs真正具有转录活性、何种环境触发其表达，以及它们长期生态后果如何，仍缺乏清晰认识，因此未来亟需结合基因操作、受控环境模型和多组学手段建立严格因果关系。
