人类相关双歧杆菌中多样的防御系统和前噬菌体揭示协同进化“军备竞赛”动态

《Cell Reports》：Diverse defense systems and prophages in human-associated Bifidobacterium species reveal coevolutionary “arms race” dynamics

　　本研究针对人类肠道关键有益菌——双歧杆菌与噬菌体相互作用的机制尚不清晰的问题，通过生物信息学方法分析了1,086株双歧杆菌基因组。研究发现双歧杆菌编码了34种抗病毒防御系统（如CRISPR-Cas、RM、Abi），约67%的菌株含有基因组多样的前噬菌体，且这些前噬菌体编码多种抗防御系统（如Acr）。该研究揭示了宿主与病毒间持续的“军备竞赛”是驱动双歧杆菌和噬菌体基因组多样性的关键力量，对理解肠道微生态平衡、开发益生菌制品具有重要科学和临床应用价值。

　　

在我们每个人的肠道里，尤其是在健康婴儿的肠道中，居住着一个庞大的微生物王国，而双歧杆菌（Bifidobacterium）就是这个王国里至关重要的“有益居民”。它们在婴儿期可以占到肠道微生物总量的70%以上，其丰度的降低与过敏、自身免疫性疾病等多种健康问题密切相关。即使在成年人中，双歧杆菌的减少也与炎症性肠病、结直肠癌等疾病有关。然而，这些对我们健康如此重要的细菌，其自身的生存却时刻面临着看不见的威胁——那就是细菌病毒，即噬菌体（Bacteriophage）。

尽管已知分娩方式、年龄、饮食和抗生素使用等因素会影响双歧杆菌的水平，但噬菌体作为肠道生态系统的一个重要调节因子，其作用可能被低估了。科学家们提出，细菌和噬菌体之间可能存在着一种持续的“军备竞赛”（arms race）：噬菌体感染给细菌带来生存压力，促使细菌进化出防御机制；而噬菌体则相应地进化出反防御策略来克服这些障碍，如此循环往复。特别是整合在细菌基因组中的前噬菌体（prophage），在特定条件下被激活（即“诱导”），可能导致有益细菌数量锐减，破坏肠道菌群平衡，甚至为潜在致病菌的增殖创造机会，这一过程被称为“群落重组”（community shuffling）。

为了对抗噬菌体的持续威胁，细菌已经进化出了一套复杂的“免疫系统”。过去，人们主要了解的是限制性修饰系统（Restriction-Modification, RM）、流产感染系统（Abortive Infection, Abi）和CRISPR-Cas系统。然而，近年来，研究人员发现了超过200种不同的抗病毒防御系统。尽管已有研究开始描绘双歧杆菌中的防御系统和前噬菌体图谱，但大规模、跨物种地研究它们之间直接的相互作用，以及这些相互作用如何共同塑造彼此基因组多样性，仍然是一个亟待深入探索的领域。

在此背景下，由James A.D. Docherty等人领导的研究团队在《Cell Reports》上发表了他们的最新研究成果。他们提出，动态的噬菌体-宿主相互作用正在驱动双歧杆菌不断调整其防御系统以抵御病毒入侵，同时噬菌体也在进化出相应的反制策略。为了验证这一假说，研究人员开展了一项大规模的生物信息学研究。

本研究主要运用了生物信息学分析方法。研究人员从公共数据库和自身研究中（包括英国诺里奇健康婴儿粪便样本以及PEARL研究项目的孕妇样本）收集了1,086株人类相关的双歧杆菌基因组，经过严格的质量控制和去重复化处理。利用DefenseFinder和PADLOC等生物信息学工具系统预测了细菌基因组中的抗病毒防御系统；使用VIBRANT、geNomad和PhageBoost等多种工具综合预测前噬菌体区域，并利用CheckV评估其质量；通过CRISPRCasTyper鉴定CRISPR-Cas系统及其间隔序列，并利用SpacePHARER分析间隔序列与前噬菌体的靶向关系；采用Acafinder、dbAPIS和DefenseFinder的“抗防御”模块预测前噬菌体中的抗CRISPR（Acr）等抗防御基因；基于400个通用细菌标记基因构建系统发育树以分析菌株间的进化关系；利用Coinfinder工具分析不同防御系统之间的共现与分离关系。

研究结果

双歧杆菌编码多样化的抗病毒防御系统库

对高质量基因组的分析揭示，人类相关的双歧杆菌拥有一个惊人丰富且复杂的抗病毒防御系统库。总共鉴定出34种防御系统类型和56种亚型，平均每个基因组编码约12个防御系统，远高于通常细菌（约5 Mbp基因组）的5-7个系统，表明双歧杆菌将相当大的代谢资源投入到抗病毒防御中。其中，噬菌体防御T4系统（PD-T4）存在于所有基因组中，限制性修饰系统（RM）、含Fic结构域的独立蛋白（SoFic）和Wadjet系统在超过90%的菌株中存在，流产感染系统（Abi）和CRISPR-Cas系统也分别高达83.26%和58.51%的检出率。不同双歧杆菌物种间防御系统的分布存在显著差异，例如Wadjet系统在除B. breve外的所有物种中均高度流行（~98.5%），而在B. breve中完全缺失。

多种防御系统对在双歧杆菌中呈正共现

考虑进化距离后的共现分析发现，有21对防御系统显著正相关，11对显著负相关。CRISPR-Cas系统与多种RM和Abi系统存在关联，例如I-C型CRISPR-Cas与Abi2和AbiD共现，II-C型和I-G型CRISPR-Cas分别与AbiE和AbiL共现。Abi型系统也常与其他系统（如CBASS_I、RosmerTA、letAS）共现。这些共现模式暗示了防御系统间可能存在协同作用，以增强对噬菌体的防护。

人类相关双歧杆菌中的适应性免疫与潜在自身免疫

58.51%的菌株编码CRISPR-Cas系统，共鉴定出6种独特类型，其中I-C型最为丰富。约27%的去重复化间隔序列能够靶向约74%的菌株内部预测的前噬菌体，且近一半的靶向事件发生在跨物种间，表明CRISPR-Cas系统积极靶向病毒并可能介导跨物种防御。研究还发现了大量自我靶向的间隔序列，其中586个与宿主自身基因匹配，部分靶向dnaA、XerC等核心细胞蛋白，以及CRISPR-Cas系统自身组件（如cas1）和其他防御系统，这提示了潜在的自身免疫风险或尚未知的调控功能。

前噬菌体在双歧杆菌中基因组多样且丰度高

严格筛选后（完整性≥50%，含至少4个结构蛋白且占比≥10% CDS），在约67%的双歧杆菌菌株中鉴定出1,076个前噬菌体。这些前噬菌体基因组大小差异大（8.9-65.3 kbp），GC含量（中位数61.17%）显著高于其宿主（中位数59.77%）。 pairwise核苷酸相似性分析和病毒蛋白组进化树显示前噬菌体具有高度的基因组多样性，并存在明显的聚类和跨宿主物种传播的迹象，提示历史重组事件和动态的水平基因转移。

双歧杆菌前噬菌体编码多种独特的抗防御基因和抗病毒系统

超过61%的前噬菌体编码至少一个抗CRISPR/抗CRISPR关联（Acr/Aca）蛋白，且Acr/Aca的存在与宿主含有CRISPR-Cas系统显著相关。此外，约13%的前噬菌体编码其他抗防御系统，如抗RM、靶向RecBCD、Gabija和Hachiman的机制，以及广谱抗防御蛋白。有趣的是，约9%的前噬菌体自身也编码抗病毒防御系统（主要是SoFic和RM），这可能有助于其在共感染中获得竞争优势或增强宿主适应性。初步分析还发现122个双歧杆菌噬菌体编码WhiB转录因子，其在放线菌中可能调节宿主表型。

讨论与结论

本研究通过大规模基因组分析，有力地证实了人类肠道关键有益菌双歧杆菌与其寄生噬菌体之间存在着激烈的协同进化“军备竞赛”。双歧杆菌虽然基因组相对较小（~2.3 Mbp），却编码了异常丰富的抗病毒防御系统（平均~12个/基因组），远超许多其他细菌，这可能与其在放线菌门中的古老进化地位以及与人类宿主的长期共进化历史有关。防御系统在不同物种间的分布差异反映了其进化路径和所受选择压力的多样性。

研究表明，双歧杆菌的CRISPR-Cas系统 actively target 前噬菌体，提供了噬菌体感染和宿主防御的直接证据。前噬菌体的高流行率、基因组多样性以及其编码的丰富抗防御系统（如Acr蛋白）和少量防御系统，共同描绘了一幅宿主与病毒之间相互制约、相互塑造的动态图景。这种持续的攻防对抗是驱动双歧杆菌及其噬菌体基因组多样性的重要力量。

该研究也存在一定局限性，例如当前防御系统鉴定工具可能对双歧杆菌的特异性系统存在发现偏差，且许多抗防御机制仍有待探索。此外，双歧杆菌难以遗传操作的特性为后续功能验证带来了挑战。

总之，这项研究极大地增进了我们对肠道微生物生态系统内部动态，特别是细菌-病毒相互作用的理解。所揭示的“军备竞赛”动力学不仅具有基础科学意义，也为未来开发更有效的益生菌产品（例如通过筛选具有特定防御系统组合的菌株）或针对肠道菌群的干预策略提供了新的视角和潜在的分子靶点。研究成果强调，在理解和管理人类健康时，必须将寄生在肠道微生物中的病毒视为一个关键因素。