基因组解析分析揭示小鼠刚地弓形虫（Toxoplasma gondii）感染期间肠道微生物维生素B族与K2生物合成被破坏

《Microbiology Spectrum》：Genome-resolved analysis reveals disruption of gut microbial vitamin B and K2 biosynthesis during Toxoplasma gondii infection in mice

　　

刚地弓形虫（Toxoplasma gondii）感染会重塑肠道微生物组，但其对微生物维生素生物合成潜力及宿主氧化还原代谢的影响仍不清楚。研究人员将小鼠肠道宏基因组与公开获得的宏基因组组装基因组（metagenome-assembled genomes，MAGs）整合，构建维生素B族与维生素K2生物合成的基因组解析图谱。从45,697个MAGs中，研究人员筛选出4,771个代表性基因组，其中2,682个达到高质量标准（完整度≥90%、污染度<5%）。功能注释鉴定出229,717个维生素相关基因，对应177个京都基因与基因组百科全书（KEGG）同源物，覆盖硫胺素（B1）、核黄素（B2）、烟酸（B3）、泛酸盐（B5）、吡哆醇（B6）、生物素（B7）、叶酸（B9）、钴胺素（B12）及维生素K2的从头合成通路。高质量基因组中，1,665个编码至少一种维生素的完整从头合成通路，体现功能专业化与群落水平互补性。以每百万转录本（transcripts per million，TPM）标准化的宏基因组读段计数显示，九种维生素通路中有六种的相关KEGG同源物丰度发生显著变化。对感染小鼠宏基因组数据（急性、慢性、对照；每组n=10）的再分析显示，急性感染期维生素生物合成通路的α多样性呈阶段依赖性降低，并与慢性组和对照组在β多样性上明显分离。核心烟酸生物合成基因（nadB、nadA、nadC）呈现门水平重分布，表明感染诱导代谢应激下微生物NAD+前体产生发生选择性重塑。结果表明，刚地弓形虫感染破坏协同性维生素生物合成网络，并特异性调控与宿主NAD+代谢相关的烟酸通路。

研究背景方面，刚地弓形虫（Toxoplasma gondii）是一种专性细胞内寄生虫，感染会改变宿主免疫与代谢，并引起肠道微生物组失调。已有研究证实其可改变共生菌相对丰度、群落多样性和宿主代谢谱，但组成变化是否伴随微生物基因组层面的维生素生物合成能力改变仍不清楚。肠道微生物可从头合成八种B族维生素与维生素K₂（甲萘醌，menaquinone），这些辅酶和前体参与能量代谢、氧化还原反应、核苷酸合成和免疫调节；其中烟酸（niacin，维生素B₃）作为NAD⁺与NAD⁺磷酸化形式NADP⁺的前体，在感染期免疫激活与代谢重编程中需求显著增加。因此，研究人员开展该项研究，以基因组解析方式判断刚地弓形虫感染是否阶段性重塑小鼠肠道微生物的维生素生物合成潜力，并重点考察烟酸/NAD⁺轴。该研究发表于《Microbiology Spectrum》。

主要技术方法上，研究人员整合CMMG目录41,798个与NCBI项目PRJNA1419542中3,899个MAGs，经CheckM2质量评估、GTDB-Tk分类注释和dRep按平均核苷酸一致性（average nucleotide identity，ANI）<99%去冗余，获得4,771个非冗余基因组；再以完整度≥90%、污染<5%筛出2,682个高质量基因组。蛋白由Prodigal预测，DIAMOND比对KEGG注释维生素相关同源物。再分析PRJNA1419542中对照、急性感染（AI）、慢性感染（CI）各10个小鼠肠道鸟枪宏基因组样本，fastp质控、Bowtie2去除小鼠宿主序列后，将清洁读段比对至维生素生物合成基因组集，以TPM标准化KEGG同源物丰度，并按来源MAG分类汇总至门和属水平；α多样性用Simpson指数和richness，β多样性用Bray-Curtis与PCoA，组间比较用Wilcoxon秩和检验，整体差异用PERMANOVA。

研究结果如下。构建与分类学概览的小鼠肠道基因组目录：研究人员由45,697个MAGs经质控与99% ANI去冗余得到4,771个非冗余MAGs，平均完整度88.45%、污染1.14%；GTDB注释覆盖19门、25纲、60目、111科、398属，优势门为Bacillota_A、Bacteroidota、Bacillota、Actinomycetota、Pseudomonadota，优势科为Lachnospiraceae、Oscillospiraceae、Muribaculaceae，说明目录以厚壁菌样谱系和拟杆菌为主。

小鼠肠道维生素B与K₂从头生物合成的功能谱：4,771个MAGs注释出229,717个基因、177个KEGG同源物；硫胺素有二条酶促路线，烟酸主要靠nadR/nadM与NMNAT分支，钴胺素有有氧/厌氧途径，泛酸盐依赖pantoate与β-丙氨酸前体，吡哆醇来自碳水代谢中间体，核黄素两前体汇合，生物素有四支，甲萘醌经futalosine途径，显示肠道微生物维生素合成具模块化和替代路线。

小鼠肠道微生物维生素生物合成的基因组潜力：2,682个高质量基因组中1,665个能从头合成至少一种维生素；各维生素贡献基因组数差异大，烟酸1,150、核黄素910、吡哆醇529、泛酸盐264、叶酸186、生物素140、钴胺素80、维生素K₂ 61、硫胺素47；无基因组能合成全部八种B族，仅8个可合成七种，Bacillota_A占预测能力52.3%，跨宿主比较显示维生素合成优势门具有宿主特异性，说明群落靠分类专业化与互补维持宿主维生素供给。

刚地弓形虫感染期间微生物维生素生物合成的阶段依赖性破坏：再分析30个样本显示，急性感染降低维生素通路α多样性（Simpson指数P<0.01），PCoA显示急性组与慢性/对照组分离；九通路中六条KEGG同源物丰度显著变化；门和属水平贡献者发生显著改变。烟酸相关同源物在急性组升高，核心基因nadB、nadA、nadC丰度上升并出现门水平重分布，而核黄素、泛酸盐等氧化还原相关维生素变化较弱，表明感染优先重塑烟酸/NAD⁺轴而非全面丧失维生素合成能力。

讨论部分总结：研究人员指出，小鼠肠道微生物拥有广泛且模块化的维生素从头合成潜力，多数基因组仅具部分通路，体现功能专业化与跨分类互补，这种分布式架构可在个别分类下降时维持必要生物合成。急性刚地弓形虫感染伴随维生素通路多样性下降与烟酸合成分类贡献重排，核心nadB/nadA/nadC在部分Bacillota_A谱系中相对增强，可能反映炎症环境下能维持NAD⁺前体生产的分类被生态选择；慢性感染期多样性部分恢复，与器官分辨代谢组学中急性广泛扰动、慢性限胃肠的趋势一致。研究者强调未直接测宿主NAD⁺、维生素浓度与寄生虫负荷，因此寄生—微生物—宿主因果链仍为假设生成级。其他营养通路如嘌呤、甾醇/胆固醇、色氨酸、精氨酸虽与刚地弓形虫相关，但非本研究系统分析对象。

结论部分翻译：研究人员构建了一个全面的小鼠肠道微生物组基因组解析目录，并表征了其从头合成八种B族维生素与维生素K₂的潜力。对4,771个代表性MAGs的分析揭示了广泛的微生物维生素生产能力，并突出了微生物分类间的功能专业化与代谢互补性。对刚地弓形虫感染小鼠宏基因组数据的检查显示出微生物维生素合成的阶段依赖性破坏，急性感染伴随维生素通路多样性降低，以及关键烟酸生物合成基因（nadB、nadA、nadC）的门水平偏移。这些发现表明，刚地弓形虫感染不仅重塑微生物组组成，还重塑参与宿主营养代谢的微生物功能。总之，结果提供了将微生物分类与小鼠肠道维生素合成潜力联系的基因组解析框架，并将烟酸生物合成确定为感染期间具响应性的通路。本工作为未来探索感染期微生物组介导的宿主维生素稳态支持策略奠定基础。