摘要婴儿期肠道微生物组的构建是重要的健康决定因素然而其中的病毒组分病毒组virome仍未得到充分表征。作者通过对来自 8 个国家的 12 个婴儿队列进行荟萃分析以建模生命头三年肠道病毒组的发育过程。研究结果揭示了独特的多样性模式病毒丰富度在出生后的前 8 个月内显著增加同时群落均匀度下降。作者定义了病毒发育速度virome developmental velocity, VDV——即连续样本间的变化率——其随时间显著下降。这与群落层面的趋同相呼应即婴儿病毒组随年龄增长而变得更加相似。在功能层面向稳定状态的过渡伴随着胞外温和噬菌体temperate phages的显著减少以及噬菌体编码的辅代谢基因auxiliary metabolic genes, AMGs的转变这些基因可调控宿主代谢。本研究提供了肠道病毒组发育的基线表征其以保守的演替轨迹为标志为识别疾病相关扰动提供了框架。Keywords: Infant gut virome婴儿肠道病毒组; Bacteriophage community assembly噬菌体群落构建; Virome developmental velocity病毒发育速度; Auxiliary metabolic genes辅代谢基因; Phage-host family噬菌体和宿主家族; Early-life microbiome生命早期微生物组文献信息Shamash, M., Maurice, C. F. (2026). A meta-analysis of infant gut viromes reveals global patterns in bacteriophage community assembly and functional capacity over the first three years of life.Nature Communications, 17, 7698. https://doi.org/10.1038/s41467-026-74609-5期刊Nature CommunicationsIF 18.1收稿日期2026 年 3 月 3 日接收日期2026 年 6 月 8 日在线发表2026 年 6 月 18 日作者单位加拿大麦吉尔大学微生物与免疫学系麦吉尔微生物组研究中心研究总结婴儿肠道病毒组三年发育规律研究背景与数据8国12队列999名婴儿1893样本游离病毒组VLP富集统一生物信息学流程核心发现丰富度前8月上升病毒发育速度递减群落趋同个体化并存温和噬菌体随龄下降AMGs功能时序更替PHF可预测婴儿月龄方法与验证vOTU与PHF双层解析GAMM建模随机森林年龄预测AMG超几何富集检验意义与局限建立健康发育基线队列均来自全球北方偏向双链DNA病毒背景介绍人类肠道微生物组从出生开始构建并持续贯穿生命头几年。尽管大量研究聚焦于肠道细菌组及其与婴儿健康的关联但肠道病毒组——主要由感染细菌的**噬菌体bacteriophages, phages**构成——在早期生命中的作用仍知之甚少。现有证据表明这一病毒群落并非随机获得而是与首批细菌宿主的到来密切相关肠道中的初始噬菌体来源于先驱肠道细菌的诱导型前噬菌体并在随后数月作为肠道病毒组的重要成员持续存在。肠道营养景观在婴儿期经历重要转变主要由富含人乳寡糖human milk oligosaccharides, HMOs的饮食向复杂的、含植物来源多糖的饮食过渡。虽然肠道细菌组通过调整其结构和组成来适应这些变化但病毒组在支持这一过渡中的作用仍未得到探索。噬菌体可携带辅代谢基因AMGs在海洋等其他生态系统中已被证实能调控宿主代谢基因然而肠道病毒组中与氮利用和碳利用相关的 AMGs 虽在成人中有所鉴定生命早期病毒组 AMGs 的特征仍属空白。定义婴儿肠道病毒组健康发育程序面临一大障碍病毒组在序列水平具有极度个体差异性不同个体的病毒序列重叠极少。为克服这一挑战作者此前提出了一种基于**预测细菌宿主家族predicted host family, PHF**对病毒序列进行分组的新分析方法从而在噬菌体功能潜力层面识别更广泛的关联。本研究利用该方法对婴儿肠道病毒组进行荟萃分析以识别噬菌体群落构建与功能容量的全球模式。重要结果结果112个队列的整合与统一流程构建全球婴儿肠道病毒组目录作者筛选了符合以下标准的队列1公开可用的游离病毒组病毒样颗粒 enrichedIllumina 测序数据2采样于生命头三年0-38 月龄3研究者定义的健康临床状态。最终纳入来自 8 个国家的 12 项研究包含 999 名婴儿的 1,893 个样本其中 6 项为纵向研究、6 项为横断面研究。所有原始测序数据均通过标准化生物信息学流程重新处理个体样本从头组装、病毒识别、生成非冗余病毒操作分类单元vOTU目录。在 95% 平均核苷酸一致性ANI和 85% 比对分数AF下对 ≥3 kb 的病毒序列进行去冗余构建了包含49,745 个 vOTUs的文库。通过对 485,806 个蛋白簇95% 平均氨基酸一致性进行 KOfam 数据库注释评估其功能潜力。在覆盖深度 ≥1× 且覆盖广度 ≥75% 的检测阈值下来自 991 名婴儿的 1,869 个样本被保留用于下游分析24 个样本因测序深度不足被排除。图 1 图注(A) 12 项研究的采样地理位置分布(B) 样本年龄分布0-38 月龄© 标准化生物信息学分析流程包括从头组装、病毒识别、vOTU 聚类、丰度定量与功能注释(D) 基于 PHF 水平加权 UniFrac 距离的主坐标分析PCoA样本按婴儿月龄左和原始研究队列右着色伴随的 PERMANOVA 结果量化了元数据变量对病毒组 beta 多样性的相对贡献。结果2婴儿肠道病毒组在序列水平高度个体化但在宿主家族层面保守为评估 vOTUs 的分布作者基于采样密度和关键发育里程碑将样本划分为 5 个年龄区间0 月龄新生儿、1-3 月龄早婴期、4-6 月龄过渡期、7-12 月龄晚婴期、1 岁幼儿期。在 vOTU 水平单个 vOTU 的流行率普遍较低呈现长尾的稀有 vOTU 分布。任一单一 vOTU 的最大流行率在各发育阶段均处于低位范围从 15.4%1-3 月龄到 48%4-6 月龄。值得注意的是在任何年龄区间内没有任何单一 vOTU 的流行率超过一半这表明在序列水平缺乏核心病毒组特征。然而在更宽泛的 PHF 层面模式趋于一致独特性 vOTUs 汇聚于一组共享的细菌宿主。各年龄区间的优势 PHFs 在多数婴儿中被检出在 7-12 月龄时** Bacteroidaceae拟杆菌科噬菌体宿主家族的检出率高达 97.5%**。宿主靶点呈现清晰的时间演替靶向 Bifidobacteriaceae双歧杆菌科——新生儿肠道中的优势细菌家族及 HMOs 的关键消耗者——的噬菌体在生命前 6 个月达到流行率峰值与典型的纯母乳喂养期相吻合。在所有年龄区间中在超过半数婴儿中检出的核心 PHF 数量从出生时的 2 个稳步增加到幼儿期的 9 个。图 2 图注(A) 各年龄区间 vOTU 流行率分布显示长尾的稀有性(B) PHF 水平的流行率核心宿主家族在多数婴儿中稳定检出© 广义加性混合模型GAMM拟合的 vOTU 水平 α 多样性指标丰富度、香农指数、Pielou 均匀度随婴儿月龄的非线性关系阴影带表示 95% 置信区间(D) PHF 水平加权 UniFrac 距离的 PCoA 可视化样本按婴儿月龄左和原始研究队列右着色。结果3病毒丰富度快速扩张病毒发育速度递减群落趋同为在控制研究间异质性和重复测量的前提下建模 vOTU 水平的 α 多样性轨迹作者实施了广义加性混合模型generalized additive mixed models, GAMMs。在考虑固定效应测序深度、研究和随机效应个体后仅观测丰富度在整个采样期内与年龄显著相关p0.042在生命前 8 个月内显著增加之后达到平台期。相比之下香农指数在三年采样期内保持稳定。丰富度增加与香农多样性稳定的组合暗示了群落结构的转变——事实上 Pielou 均匀度在前 18 个月内有所下降虽不显著之后恢复到基线水平。为量化病毒组组装的动态作者定义了病毒发育速度VDV——同一婴儿两个连续样本间的距离PHF 水平加权 UniFrac 或 vOTU 水平 Bray-Curtis除以时间间隔月。VDV 在 PHF 和 vOTU 水平均与年龄显著负相关p0.001在出生时最高约 6 月龄时趋于稳定。结合丰富度发现这些数据表明生命前 6-8 个月是肠道病毒组发育最具活力的时期。为评估病毒组趋同和个体间变异随时间的变化β 离散度beta dispersion——每个样本到其特定年龄中心在多元排序空间中的距离——在 PHF 水平随年龄显著下降p0.0032这一下降趋势甚至持续到 36 月龄之后。相比之下vOTU 水平的 β 离散度与年龄无关p0.23。PHF 与 vOTU 水平 β 离散度模式的不一致性表明婴儿肠道病毒组在向噬菌体-宿主互作的共同结构趋同的同时在序列水平始终保持高度个体化。基于 PHF 丰度训练随机森林回归模型预测婴儿年龄训练集上 RMSE2.49 月、R²0.93测试集上 RMSE5.14 月、R²0.555。最重要的预测特征为 Rikenellaceae理研菌科、Bacteroidaceae、Bifidobacteriaceae 噬菌体宿主家族。生命早期年龄预测主要由 Bifidobacteriaceae 和 Veillonellaceae韦荣球菌科的下降驱动前 3 月龄最高而向幼儿期的过渡则以 Rikenellaceae 和 Bacteroidaceae 丰度的增加为标志13 月龄后最高。留一队列交叉验证LOSOCV证实了模型的稳健性。图 3 图注(A) PHF 水平病毒发育速度VDV随年龄的 GAMM 拟合出生时为峰值约 6 月龄稳定(B) PHF 水平 β 离散度随年龄显著下降© 随机森林回归模型基于 PHF 水平病毒组组成预测婴儿年龄的性能预测年龄与实际年龄的散点图按数据集训练/测试着色(D) 年龄预测模型中前 20 个最重要 PHF 特征的热图显示在 3 月龄区间内的平均相对丰度按各 PHF 最小-最大缩放伴随的彩色条和条形图分别指示各 PHF 对模型的总体贡献和重要性。结果4温和噬菌体在生命早期胞外病毒组中占主导并随年龄下降为验证出生后温和噬菌体通过定植细菌的诱导迅速定殖肠道病毒组的假说作者预测了 vOTU 的生活方式并用 GAMMs 建模了前几年累积温和噬菌体相对丰度。结果显示温和噬菌体丰度与年龄显著相关p0.002在出生时最高此后迅速下降。在元数据完整的子集中剖宫产婴儿在出生时的温和噬菌体丰度显著高于阴道分娩婴儿纯母乳喂养婴儿的温和噬菌体丰度显著高于配方奶喂养婴儿。温和病毒组的组成多样性也随时间变化出生时大多数检出的温和 vOTUs 预测感染 Bacteroidaceae、Enterobacteriaceae肠杆菌科、Bifidobacteriaceae 和 Streptococcaceae链球菌科宿主到 1 岁时温和病毒组主要由感染 Lachnospiraceae毛螺菌科、Bacteroidaceae 和 Ruminococcaceae瘤胃菌科的噬菌体构成。这一发现与近期多项研究一致表明向成人样微生物组的过渡伴随着温和噬菌体主要以宿主基因组内前噬菌体的形式存在。图 4 图注(A) 基于 GAMM 建模的累积温和噬菌体相对丰度拟合曲线表示温和噬菌体相对丰度与婴儿月龄的非线性关系p0.002阴影带为 95% 置信区间(B) 温和噬菌体宿主家族组成随年龄的演变从出生时的 Bacteroidaceae/Enterobacteriaceae/Bifidobacteriaceae/Streptococcaceae 主导过渡到 1 岁时的 Lachnospiraceae/Bacteroidaceae/Ruminococcaceae 主导。结果5肠道病毒组功能特化映射关键发育里程碑为表征婴儿病毒组的功能潜力作者从 vOTU 文库预测蛋白编码序列基于 ≥95% 平均氨基酸一致性和 ≥90% 覆盖率聚类为非冗余目录从 49,745 个 vOTUs 中预测出 797,941 个蛋白编码序列形成 485,806 个非冗余蛋白簇减少 39.1%。通过与 KOfam 数据库比对并过滤 VIBRANT 策展的 KEGG 直系同源组KOs列表鉴定出 AMGs。在 10 个最流行的 PHFs 中Ruminococcaceae 和 Bacteroidaceae 噬菌体宿主家族是功能最多样的分别富集于 37 和 30 个通路类别这些 AMGs 包括碳水化合物代谢、次生代谢物生物合成和氨基酸代谢相关基因。不同 AMGs 的相对丰度也遵循时间演替新生儿期0-3 月龄以能量、聚糖和氨基酸代谢相关基因为特征当过渡到固体食物7-12 月龄时观察到与碳水化合物、脂质、异生物质和核苷酸代谢相关的 AMGs 达到峰值并持续进入第三年。作者尝试基于 AMG 谱存在/缺失和检测时年龄用随机森林分类模型将 vOTUs 分类为 PHFs模型性能较差各类别/PHFs 平均 F1 分数 0.58表明 PHFs 间存在高度的功能冗余——特定的代谢谱系并不一定能够指示宿主。在非噬菌体病毒组分表征中geNomad 鉴定出 534 个 vOTUs占总数据集的 1.1%代表 31 个非噬菌体病毒家族按预测宿主分为感染动物n466如细小病毒科、腺病毒科、植物n13、真菌/原生生物n49和古菌n4的类群以及病毒噬菌体n2。感染动物的病毒是唯一与婴儿年龄显著相关的组别p0.001约在 9 月龄达到峰值后下降剖宫产婴儿在 6-12 月龄期间感染动物的病毒丰度显著高于阴道分娩婴儿。图 5 图注前 10 个最流行 PHFs 的 AMG 代谢通路富集分析。点的大小表示相对丰度颜色表示统计显著性。富集通过超几何检验Fisher 精确检验确定以识别相对于 PHF 总基因数和大小显著过代表的功 能类别仅显示显著FDR0.05结果。Ruminococcaceae 和 Bacteroidaceae 噬菌体宿主家族在碳水化合物代谢、次生代谢物生物合成和氨基酸代谢等通路中呈现最广泛的富集。方法学参考可供参考的关键方法克服病毒组个体化以预测宿主家族PHF为功能单元聚合 vOTUs在保留生态信息的同时实现跨研究可比性vOTU 界定CD-HIT 以 95% ANI 和 85% AF 聚类代表病毒生态学物种水平划分的国际通用标准生活方式预测仅纳入高质量和完整序列可能引入偏差α 多样性建模GAMMs 针对不同指标选用不同分布——丰富度用负二项分布、香农指数用高斯分布、Pielou 均匀度用 β 回归并将测序深度作为固定效应以避免稀疏化偏差VDV 定义同一婴儿连续样本间距离除以时间间隔仅在 6 个纵向队列120 名个体989 个样本中计算年龄预测模型随机森林回归70/30 训练-测试分割辅以留一队列交叉验证LOSOCV排除研究特异性偏差AMG 富集检验超几何检验Fisher 精确检验评估特定 PHF 内 AMG 类别的过代表程度BH 法校正多重检验总结本研究通过对 12 个婴儿队列、999 名婴儿、1,893 个样本的荟萃分析建立了生命头三年肠道病毒组发育的健康基线。研究揭示了五个相互关联的核心规律其一病毒丰富度在出生后前 8 个月快速扩张随后进入平台期而香农多样性在整个三年期间保持稳定均匀度则在前 18 个月下降。这一组合表明病毒组在个体序列水平高度动态但在功能宿主层面趋向保守。其二病毒发育速度VDV在出生时最高约 6 月龄趋于稳定与此同时PHF 水平的 β 离散度随年龄显著下降表明婴儿病毒组在向共同的噬菌体-宿主互作结构趋同尽管在序列水平始终保持高度个体化。这一趋同-个体化并存的范式是生命早期病毒组发育的关键特征。其三基于 PHF 组成的随机森林模型可准确预测婴儿年龄测试集 RMSE5.14 月R²0.555最重要的预测特征为 Rikenellaceae、Bacteroidaceae、Bifidobacteriaceae 噬菌体宿主家族。模型的预测能力在 20 月龄后显著下降提示病毒组组装在生命前 20 个月受年龄严格调控稳定后则由长期饮食和独特环境暴露等个体化因素主导。其四温和噬菌体在胞外病毒组中占主导且随年龄显著下降从出生时的最高丰度迅速衰减反映了从游离温和噬菌体向整合前噬菌体的过渡与成人样微生物组的建立相吻合。宿主靶向也发生演变从新生儿期的 Bacteroidaceae/Enterobacteriaceae/Bifidobacteriaceae/Streptococcaceae转变为 1 岁时的 Lachnospiraceae/Bacteroidaceae/Ruminococcaceae。其五病毒组 AMGs 功能潜力随发育里程碑时序更替。Ruminococcaceae 和 Bacteroidaceae 噬菌体宿主家族——两个对膳食纤维发酵至关重要的细菌家族——携带最多样的 AMGs表明胞外病毒组提供了一个代谢工具箱支持宿主在断奶后适应富含植物多糖的饮食。新生儿期以能量、聚糖和氨基酸代谢为特征7-12 月龄过渡到固体食物时碳水化合物、脂质、异生物质和核苷酸代谢相关 AMGs 达到峰值。⚠️研究局限性1所有 12 项研究均来自全球北方Global North多数来自高收入国家尚缺乏来自多样化地理区域和中低收入国家的病毒组研究2所有研究采用的建库方法均严重偏向双链 DNA 病毒测序无法提供 RNA 和单链 DNA 病毒组的洞察3部分元数据如性别、分娩方式、饮食的完整报告存在异质性研究者通过子集建模策略最大化元数据效用但仍可能引入偏差4研究聚焦于游离/胞外病毒组VLP 富集无法全面反映整合于细菌基因组内的前噬菌体组分。该研究确立的保守演替轨迹和健康发育基线为未来研究病毒组对人类健康的驱动作用、识别疾病相关扰动提供了关键框架标志着婴儿肠道病毒组研究从单一队列描述迈向全球模式识别的重要一步。参考文献Shamash, M., Maurice, C. F. (2026). A meta-analysis of infant gut viromes reveals global patterns in bacteriophage community assembly and functional capacity over the first three years of life.Nature Communications, 17, 7698. https://doi.org/10.1038/s41467-026-74609-5相关数据库与资源分析代码Zenodo (https://doi.org/10.5281/zenodo.19701266)原始病毒组测序数据NCBI SRABioProject accessions: PRJNA284162, PRJNA387903, PRJNA385126, PRJEB33578, PRJNA524703, PRJNA693793, PRJNA916952, PRJEB46943, PRJNA427187, PRJNA641593病毒识别工具geNomad (https://github.com/apcamargo/genomad)宿主预测工具iPHoP (https://github.com/srouxSF/iPHoP)生活方式预测工具BACPHLIP (https://github.com/alexhockenberry/BACPHLIP)AMG 识别工具VIBRANT (https://github.com/AnantharamanLab/VIBRANT)