《Microbiology Spectrum》：Alterations in the gut virome of children with allergic rhinitis: enrichment of pro-inflammatory bacteriophages and depletion of fungal viruses
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编者按：本项研究首次系统描绘了儿童过敏性鼻炎（Allergic Rhinitis, AR）患者的肠道病毒组特征。研究发现，AR患儿肠道病毒组存在失调，表现为促炎噬菌体（如Taranisvirus）富集且与总免疫球蛋白E（IgE）水平呈正相关，而潜在具有保护作用的真菌病毒（如Mitovirus, Duamitovirus）则显著耗竭。随机森林模型进一步证实总IgE是区分AR与健康对照（HC）的关键指标。病毒-细菌共现网络分析揭示，AR患儿的肠道微生态存在以噬菌体为中心、促炎症的相互作用网络重构。这些发现揭示了肠道病毒组在AR发病中的潜在作用，为未来基于病毒组的干预策略（如噬菌体疗法）提供了新视角。
引言
过敏性鼻炎（Allergic Rhinitis, AR）是儿童中最常见的慢性免疫性疾病之一，其全球发病率持续上升，严重影响生活质量。近年来，肠道微生物组在免疫成熟和调节中的关键作用日益受到重视。尽管细菌微生物组已被广泛研究，但作为肠道微生物组中最丰富、且积极参与细菌互作和宿主免疫调节的组成部分——肠道病毒组，特别是噬菌体，在AR背景下的作用仍知之甚少。病毒组不仅直接影响宿主免疫反应，还能通过调节细菌群落结构间接参与免疫稳态。多项研究表明，生命早期的病毒定植模式与哮喘等多种免疫相关疾病存在关联。鉴于病毒组在免疫编程中的关键作用及其与其他过敏性疾病的联系，本研究假设AR患儿的肠道病毒组可能同样失调，并通过特定机制参与疾病发病。利用宏基因组测序技术，本研究进行了病例对照研究，旨在表征AR与健康对照（HC）儿童肠道病毒组的差异，并将病毒组谱与临床免疫标志物（IgE）和环境暴露因素整合，以探索AR中的病毒-宿主-环境相互作用。
结果
1. AR儿童肠道病毒组呈现组成趋势差异而非丰富度差异
病毒α多样性分析显示，AR组与HC组在操作分类单元（OTU）丰富度或香农指数上均无显著差异，表明总体病毒载量相当。尽管α多样性无显著差异，但基于Bray-Curtis距离的主坐标分析（PCoA）图显示，两组样本在主轴上存在聚类趋势，这提示AR肠道病毒组可能存在潜在的组成差异。然而，基于Bray-Curtis距离的置换多元方差分析（PERMANOVA）未显示统计学上的显著分离，这可能是由于个体间差异大和样本量有限所致。Procrustes分析进一步表明两组间整体构型无显著差异。
2. 门、科、属水平的差异病毒组成
基于158,344个病毒基因（Viral Genes, VGs）的注释，在门水平，Lenarviricota门在HC组相对丰度显著更高。在科水平，Mitoviridae科在HC儿童中相对丰度更高。在属水平，Taranisvirus在AR组中富集，而Mitovirus和Duamitovirus在HC组中显著更丰富。尽管这些类群的相对丰度较低，但它们在多种检验中一致且显著的差异丰度提示了其生物学相关性。
LEfSe分析进一步鉴定出在AR或HC儿童中显著富集的特定病毒类群。在属水平，Taranisvirus在AR组中持续富集，强化了其作为促炎噬菌体的潜在作用。相反，Lenarviricota门内的几个类群（如Mitovirus）在HC儿童中显著富集，这与之前观察到的其与过敏原敏感性的负相关性一致。这些发现进一步支持了AR儿童肠道病毒组存在结构性失调，其特征是炎症噬菌体富集和潜在保护性真菌病毒耗竭。
3. 随机森林模型识别IgE和特定过敏原为关键区分因素
利用属水平病毒组数据以及临床和膳食变量构建的随机森林分类模型显示出稳健的区分性能，其受试者工作特征曲线下面积（AUC）为0.76。变量重要性分析显示，总IgE的重要性得分最高，其次是牛奶特异性IgE和尘螨特异性IgE。虽然IgE相关变量本身与过敏状态相关，但它们在模型中的突出地位强调了过敏致敏与病毒组组成之间的紧密联系。值得注意的是，几个病毒属也对分类有显著贡献，包括Mitovirus、Taranisvirus和Kahnovirus。
4. 病毒属与过敏原/免疫标志物间的显著相关性
属水平的Spearman相关分析揭示了关键病毒属与临床指标之间的显著关联。Taranisvirus与总IgE水平呈强正相关。Kahnovirus与尘螨、Carjivirus与猫毛屑、Lughvirus与狗毛屑、以及未分类的Ackermannviridae科病毒与牛奶也呈正相关。值得注意的是，Mitovirus与所有测试的过敏原（包括总IgE）均呈负相关，提示其潜在的保护作用。
5. AR与HC儿童肠道病毒组的功能谱分析
通过分析KEGG通路在1级和2级的丰度，比较了AR与HC儿童肠道病毒组的功能潜力。在错误发现率校正后，未观察到任何主要功能类别（包括代谢、遗传信息处理、细胞过程、生物体系统、人类疾病和环境信息处理）存在显著差异。为了揭示可能被广泛通路分类掩盖的潜在功能变化，进一步分析了3级KEGG直系同源物。尽管在严格的FDR校正后没有通路保持统计学显著性，但有几个通路显示出名义上的差异，可能反映了AR病毒组中生物学相关的调整。其中，涉及细菌适应和生存的通路，如“阳离子抗菌肽耐药性”、“泛酸和辅酶A生物合成”和“分枝菌酸生物合成”，在AR组中有富集趋势。相反，与微生物间通讯和氨基酸合成相关的通路，包括“群体感应”和“赖氨酸生物合成”，名义上下调。这些细微的代谢改变表明，AR儿童的肠道病毒组并非功能惰性，而是可能经历精细的、类群特异的调节。
6. 病毒-细菌相互作用网络揭示AR儿童中独特的生态动力学
基于Spearman相关性构建的病毒-细菌共现网络分析揭示了AR组与HC组之间根本不同的拓扑结构和相互作用模式。在HC儿童中，在AR中耗竭的真菌病毒Mitovirus和Duamitovirus与包括Eubacterium在内的几个细菌属呈显著负相关，这种模式提示这些真菌病毒在调节细菌丰度方面具有潜在的调节作用，可能有助于维持免疫稳态。相反，AR病毒组的特征是一个促炎的、以噬菌体为中心的网络。在AR中富集且与总IgE相关的Taranisvirus，与具有抗炎特性并产生短链脂肪酸的Faecalibacterium属呈显著正相关。矛盾的是，另一种噬菌体Skunavirus与Faecalibacterium呈强负相关，表明存在复杂且可能不稳定的噬菌体-细菌动态，可能破坏这种有益共生菌的作用。此外，在AR组中，几种已知的促炎或机会致病细菌，如Haemophilus和Klebsiella，与Lederbergvirus和Reipivirus等特定噬菌体呈正相关。这些相互作用可能增强了这些细菌的生态适应度和免疫激活潜力。这些网络分析共同表明，儿科AR中的肠道病毒组失调涉及病毒-细菌生态相互作用的根本性重构。
讨论
本研究通过LEfSe和随机森林模型，鉴定出Taranisvirus和Mitovirus等在AR与HC儿童间差异丰度的病毒属。然而，我们承认将属水平分类学生物标志物筛选应用于病毒组的局限性，鉴于噬菌体具有广泛的遗传多样性和宿主特异性。病毒属内的高度遗传变异性意味着该水平的差异丰度可能不会直接转化为明确的生理或生物学意义，这与细菌群落分析中属水平类群通常代表功能更一致的群体不同。因此，本研究发现的显著性并不在于特定的“生物标志物”属本身，而在于它们共同为AR中存在结构改变的肠道病毒组提供了证据。更具机制信息的方法应是在病毒基因水平分析病毒，或理想情况下，将噬菌体与其细菌宿主联系起来，以推断哪些细菌种群可能受到调节。本研究采用BLASTP比对NCBI非冗余蛋白数据库进行病毒注释，而非基于网络的工具。这一选择是基于最大化注释覆盖率和利用精心策划的参考数据库进行探索性生物标志物识别的目的。本研究的一个基本挑战是通过总DNA宏基因组学无法区分来自游离病毒颗粒的DNA与整合到细菌宿主基因组中的前噬菌体的DNA。为解决此问题，我们纳入了生物信息学过滤步骤，旨在去除与已知肠道细菌前噬菌体数据库具有高度相似性的序列。虽然这种方法无法明确区分这两种病毒生命状态，但它使我们分析的数据集富集了更可能代表病毒颗粒相关或活跃切除的噬菌体DNA序列，从而提供了对活跃病毒组部分更保守且可能更相关的概况。我们的宏基因组分析揭示了AR儿童中先前未被认识的肠道病毒组失调模式，该模式与IgE介导的免疫反应相关。研究结果表明，AR儿童可能表现出肠道病毒组的组成差异，其特征是特定噬菌体的富集和真菌病毒的耗竭，而非整体病毒多样性或功能能力的变化。这些组成变化与IgE水平和环境过敏原密切相关，表明病毒组在调节AR免疫反应中的潜在作用。值得注意的是，我们发现Taranisvirus在AR儿童中显著富集，并与总IgE强相关。作为肌尾病毒科成员，Taranisvirus可能通过温和噬菌体活动（如溶原性转换）影响宿主免疫，从而改变细菌表型并促进促炎状态。这与过敏性疾病中“噬菌体-IgE轴”的新兴概念相符。相反，注释为真菌病毒的序列（特别是Mitovirus和Duamitovirus）在AR儿童中耗竭。作为专性感染真菌的病毒，它们的存在可能反映了更健康的真菌组结构或膳食真菌摄入，通过跨界相互作用潜在赋予抗过敏致敏的保护作用。我们的随机森林模型确定总IgE、牛奶和尘螨为顶级区分因素，这与先前AR风险因素的流行病学和伞式综述一致。我们承认，在预测过敏状态的模型中包含IgE（过敏的定义特征）可能部分解释了其高重要性得分。尽管如此，病毒属（如Mitovirus和Taranisvirus）的重要贡献表明，病毒组组成提供了超越经典免疫标志物的补充信息。与更详细的功能分析一致，我们观察到特定3级KEGG通路存在名义差异，尽管在经过多重检验校正后，更广泛的层次水平上缺乏显著差异。“阳离子抗菌肽耐药性”等通路的名义上调表明，AR肠道病毒组可能选择性富集感染具有此类防御机制的细菌的噬菌体，从而可能培育出对宿主免疫压力更具抵抗力的细菌群落。此外，“群体感应”的下调可能反映了噬菌体诱导的细菌群落协调和生物膜形成的破坏。这些精细尺度的功能变化，虽然需要验证，但与以下假设一致：噬菌体-细菌相互作用在不剧烈改变病毒组整体功能潜力的前提下，微调代谢和免疫功能。基于我们的病毒-细菌共现网络分析，AR中的肠道病毒组失调超出了组成变化，涵盖了生态相互作用的根本性重构。这种系统水平的视角表明，与疾病相关的改变嵌入在一个功能失调的相互作用组中——一个重新配置的病毒和细菌关联网络，可能共同破坏黏膜免疫稳态。观察到的特定拓扑模式为疾病进展提供了合理的生态机制。因此，AR肠道生态系统似乎不仅在病毒成员上受到扰动，而且在其微生物群落的高阶组织上也受到扰动。这种重构的相互作用组可能通过聚合途径影响宿主：通过裂解或溶原性转换塑造细菌种群；调节细菌功能输出，包括短链脂肪酸等免疫调节代谢物的产生；以及增强条件致病菌的生态位适应性。
结论
本研究首次提供了儿童AR患者肠道病毒组失调的证据。这种失调的特征不仅在于促炎噬菌体的富集和保护性真菌病毒的耗竭，还在于病毒-细菌相互作用网络的重构。这些改变与IgE水平和过敏原敏感性相关，表明病毒组可能通过直接免疫调节和间接生态重构肠道微生物组两种方式影响AR的发病机制。这些发现指出肠道病毒组是过敏性炎症的潜在贡献者，并可作为进一步研究作为治疗靶点（如噬菌体疗法或病毒组补充）的候选对象。需要进一步的纵向和机制研究来验证这些关联并阐明因果关系。
