交替摄入高脂与多糖饮食调节肠道噬菌体-细菌互作全景

《Advanced Science》：Alternating High-Fat and Polysaccharide Diets Modulates Gut Phage-Bacterial Interplay

这篇研究性论文首次通过整合大规模（n=6932）膳食相关宏基因组学荟萃分析与时间序列动物实验，系统揭示了高脂饮食（HFD）与多糖（如岩藻聚糖FUC）干预如何作为最强驱动力重塑肠道病毒组，并通过驱动噬菌体生活方式（裂解/溶原性）转换、增强水平基因转移（HGT）及富集辅助代谢基因（AMG）等机制，深刻调控噬菌体-细菌互作，为靶向肠道病毒组的精准营养干预策略提供了全新视角。

　　

膳食类型对肠道病毒组产生特异性重塑

本研究通过对来自20个国家、62个生物项目的6932份膳食相关肠道宏基因组数据进行荟萃分析，系统评估了膳食对肠道病毒组的塑造作用。分析发现，在所有宿主与环境因素中，营养与膳食是导致病毒组组成变异的主要驱动因素，其解释的方差（膳食类型：R²= 0.14；营养成分：R²= 0.20）远超地理、健康状况或药物使用。其中，调节脂肪（R²= 0.74）和纤维（R²= 0.19）含量的膳食类型对病毒组影响最大。进一步分析显示，饮食响应的噬菌体主要感染厚壁菌门和拟杆菌门的细菌。值得注意的是，高脂饮食能在广泛的分类范围内引起噬菌体丰度变化，其宿主分布于厚壁菌门（36.36%的受影响噬菌体）、拟杆菌门（50.00%）、放线菌门（44.83%）和变形菌门（34.21%）。此外，高脂、地中海和素食等饮食会显著增加噬菌体的α多样性，并重塑噬菌体-细菌的互作模式，例如增强特定噬菌体与其宿主（如乳球菌、乳杆菌）之间的正相关性。饮食还影响噬菌体的生活方式，高脂饮食后温和噬菌体比例较高（69.23%），而素食饮食则有利于烈性噬菌体（75.00%）。

岩藻聚糖补充逆转高脂饮食诱导的噬菌体增殖

为了阐明高脂饮食和膳食纤维塑造肠道病毒组的动态模式，研究设计了一项小鼠纵向实验。除了高脂饮食组，还设置了补充岩藻聚糖（一种膳食纤维）的干预组。实验发现，岩藻聚糖补充能显著缓解高脂饮食诱导的肥胖（平均体重降低22.01%），并重塑肠道菌群结构。通过识别饮食相关细菌，并追踪感染这些细菌的噬菌体，研究发现高脂饮食组持续表现出比补充岩藻聚糖组和对照组更高的噬菌体丰度，表明高脂饮食引发了与饮食相关细菌相关的噬菌体增殖，而岩藻聚糖补充逆转了这一趋势。相关性分析显示，高脂饮食组拥有最多的显著噬菌体-宿主相关性对，且主要与拟杆菌门宿主相关；而岩藻聚糖补充则增加了与厚壁菌门宿主相关的相关性对。这些发现证明，高脂饮食和岩藻聚糖干预均能强化噬菌体-细菌互作，且肠道病毒组的反应具有高度膳食特异性。

高脂饮食与岩藻聚糖驱动噬菌体生活方式发生相逆转换

研究通过建立裂解-溶原指数来分析噬菌体生活方式的动态变化。基线时，噬菌体群落主要处于裂解状态。然而，摄入高脂饮食诱导了群落范围内向溶原性的转变，平均LLI从第0天到第10天显著降低了24.53%。基因组水平上，高脂饮食处理的噬菌体中与裂解相关的基因（如孔蛋白和溶菌酶）丰度也低于岩藻聚糖补充组，表明高脂饮食削弱了噬菌体通过裂解其细菌宿主来调节肠道菌群的能力。岩藻聚糖补充组的趋势与对照组相似，表明岩藻聚糖部分抵消了高脂饮食诱导的生活方式转变。然而，当重点关注感染饮食相关细菌的噬菌体时，观察到了相反的趋势：虽然这些噬菌体在对照组中有向溶原性转变的趋势，但高脂饮食干预促使它们显著向裂解状态转变，平均LLI增加了8.87倍。例如，副拟杆菌噬菌体在高脂饮食下转向裂解生活方式，而岩藻聚糖补充显著减弱了这种高脂饮食驱动的转变。此外，岩藻聚糖补充在厚壁菌门的粪杆菌和厌氧绳菌噬菌体中诱导了短暂的裂解转变，这可能导致观察到的厚壁菌门相关属在岩藻聚糖组中丰度降低。

岩藻聚糖恢复高脂饮食抑制的噬菌体介导的水平基因转移

作为噬菌体-细菌互作的另一种关键形式，噬菌体介导的水平基因转移也可能因饮食诱导的噬菌体生活方式转变而改变。研究检测了潜在的HGT事件，发现高脂饮食摄入导致噬菌体介导的HGT频率降低了80%，而岩藻聚糖补充使其增加了8.5倍。然而，与岩藻聚糖相关的HGT事件和基线HGT事件在供体-受体对上的重叠极少，这表明岩藻聚糖是通过诱导一组全新的HGT事件来恢复被高脂饮食抑制的HGT水平，而非回到原始状态。这些新HGT基因的功能注释显示其类别多样，包括核苷酸代谢、核糖体功能和应激防御等。噬菌体介导的HGT事件最常发生在厚壁菌门和拟杆菌门内部。为了探索潜在机制，研究在噬菌体序列中搜索了HGT相关酶（整合酶、重组酶和转座酶），发现只有岩藻聚糖补充组中这三种酶类型的丰度在干预期间持续增加。在感染饮食相关细菌的噬菌体中，副拟杆菌噬菌体拥有最多样化的转座酶基因，其相对丰度在高脂饮食和岩藻聚糖补充下呈现相反趋势，表明副拟杆菌噬菌体是岩藻聚糖驱动恢复HGT水平的主要贡献者。

高脂与岩藻聚糖饮食增强噬菌体辅助代谢功能

高脂饮食和岩藻聚糖干预改变了噬菌体介导的HGT频率，这为噬菌体通过基因交换获得外源辅助代谢基因提供了机会。研究在噬菌体基因组中识别出大量AMG。与整个噬菌体群落中氨基酸代谢相关的AMG占主导不同，感染饮食相关细菌的噬菌体显示出与碳水化合物代谢以及辅因子和维生素代谢相关的AMG比例增加。这表明高脂饮食和岩藻聚糖导致噬菌体携带更多具有特定功能的AMG，可能潜在地增强肠道菌群的相应代谢能力。系统发育分析显示，噬菌体AMG的同源蛋白更常来源于病毒而非细菌。对于感染饮食相关细菌的噬菌体，与辅因子和维生素代谢相关的AMG在溶原状态下更普遍（17.20%），而与氨基酸代谢相关的AMG则在裂解状态下占主导（54.91%）。高脂饮食后，这些氨基酸代谢AMG的丰度显著增加（第10天增加142.00%，第14天584.20%，第18天156.67%），而岩藻聚糖补充减弱了高脂饮食诱导的氨基酸代谢AMG富集。值得注意的是，在两个含高脂的饮食组中，无论是否补充岩藻聚糖，整个噬菌体群落中与脂质代谢相关的AMG丰度均显著增加，表明噬菌体可能增强相应的宿主代谢途径以适应膳食变化。在所有这些代谢途径中，副拟杆菌噬菌体被确定为能量、氨基酸、辅因子和维生素代谢AMG的主要贡献者。在副拟杆菌噬菌体中，与氨基酸和能量代谢相关的AMG丰度在高脂饮食干预后增加，而岩藻聚糖补充逆转了这一效应，使其丰度与对照组持续保持一致。

拟杆菌门噬菌体对多种多糖具有广泛响应并与细菌宿主保持稳定互作

基于岩藻聚糖可部分逆转高脂摄入诱导的肠道病毒组及噬菌体-细菌互作失调的观察，研究进一步探索了其他膳食多糖调节病毒组的具体模式及其异质性。通过对收集的6932个样本的宏基因组数据集进行分析，研究确认多糖是导致噬菌体丰度变化的主要营养驱动因素，这一结果与岩藻聚糖补充实验结果一致。这些变化优先涉及感染厚壁菌门的噬菌体。感染拟杆菌（如crAssphage）的噬菌体主导了由六种不同多糖驱动的噬菌体-细菌互作网络，占据了与宿主细菌绝大多数显著相关性对，且这些关联在多种膳食成分摄入下大多保持显著，表明crAssphage对多种多糖具有广泛响应，并与细菌宿主保持相对稳定的互作。膳食多糖干预导致裂解噬菌体比例下降，总体上有利于向溶原性转变，而寡糖则产生相反效果。延伸分析显示，黄芪多糖与岩藻聚糖类似，能减弱高脂饮食富集噬菌体的丰度增加，并增加噬菌体-细菌相关性对数量。不同多糖的HGT相关酶谱差异显著：果寡糖和菊粉下调了编码整合酶、重组酶和转座酶的基因，而只有黄芪多糖与岩藻聚糖效果一致，同时上调了编码所有三种酶的基因丰度。这种机制差异也延伸至AMG：菊粉上调了八个代谢途径中AMG的丰度，而果寡糖和黄芪多糖则下调了它们。尽管存在这些差异，碳水化合物、氨基酸、辅因子和维生素的代谢途径在所有糖类干预中均发生一致改变。