Science：肠道细菌的自传

背景

瞬时转录事件的记录揭示了肠道微生物群的生命。一幅画胜过千言万语，然而，当它只是一个捕捉了瞬间的快照，而它错过了之前或之后发生的任何事情。如果你只拿到一张快照，你能想象如何描述生命的惊人复杂性吗?

简介

2022年11月25日，来自瑞士的Florian Schmidt博士在Science (IF: 41.845)杂志上发表名为Autobiography of a gut bacterium的研究[1]。

主要结果

这种情况听起来完全不可能，然而今天许多研究工具依赖于快照式的测量。研究人员通过进行时间点实验来描述复杂的细胞过程。他们打开细胞，测量细胞内的物质，如代谢物和RNA。RNA测序 (RNA-seq)使科学家能够量化整个细胞内RNA (转录组)，以描绘细胞过程的丰富画面。这种方法允许研究人员以前所未有的深度研究某一时刻的细胞状态。然而，RNA分子寿命很短，通常会迅速降解。由于这种转录信号的不断转换，RNA-seq只能获得高度动态过程的短暂一瞥。不幸的是，这种动态性使得一些生物系统非常难以捕捉。

人类肠道微生物群就是一个例子。栖息在我们胃肠道中的微生物通过快速适应其基因表达，对环境变化 (如饮食改变)或病理状态 (如炎症)做出反应。了解这些适应性变化可以洞察营养、炎症、癌症，甚至精神疾病。因此，测量这些适应能力对于理解人类健康和发展诊断至关重要。

我们利用RNA-seq研究肠道微生物群的能力有限：我们可以对粪便进行非侵入性采样。然而，微生物从发生许多生理相关过程的胃肠道近端部分穿越到粪便需要数小时。因此，粪便样本很难反映肠道微生物群的状态。相反，直接对其生态位内的微生物群执行RNA-seq需要高度侵入性、风险性和破坏性的手术操作。

为了应对这一长期挑战，我们开发了Record-seq (一种前哨细胞系统)，使我们能够研究肠道内细菌的转录组。我们利用生物工程原理，为人类共生细菌大肠杆菌的细胞配备了分子记录器，可以将RNA转换为DNA序列。这种转化使我们的大肠杆菌前哨细胞能够记录其自身快速变化的转录组，并将其转化为DNA作为永久的储存形式，从而保存转录信息。当前哨细胞通过肠道并对其环境 (例如，宿主的饮食或肠道炎症)做出反应时，它们会通过我们的分子记录器记录自己对这些事件的转录反应。然后，我们能够无创地采集粪便，并对哨兵细胞的DNA进行测序，以检索这些细菌在肠道内采集的信息。因此，当我们无创获得转录记录并从粪便RNA-seq中“丢失”的肠近端部分恢复信息时，Record-seq允许我们获得隐藏在胃肠道内大肠杆菌生命的新见解。

我们通过改变适应性微生物免疫系统CRISPR的用途开发了Record-seq。CRISPR进化为一种蛋白质Cas1和Cas2的复合物，将DNA的短片段 (间隔区)整合到细菌基因组编码的CRISPR阵列中，从而创建入侵遗传元素的分子记忆。绝大多数Cas1-Cas2系统仅从DNA获得间隔区。然而，在一些细菌中，逆转录酶 (RT)与Cas1天然融合，形成RT-Cas1–Cas2复合物，其中RT可以使用RNA作为模板，生成DNA的互补链。已经证明，来自海洋细菌地中海海洋单胞菌 (MMB-1)的RT-Cas1–Cas2复合物可以获得我们想要用作监控肠道功能的前哨细胞的人类共生细菌的RNA。我们测试了来自不同细菌的进化上较远的RT-Cas1直向同源物集合，并发现了一个来自糖食梭状芽孢杆菌 (FsRT-Cas1–Cas2)的直向同源物，该直向同源物在大肠杆菌中具有功能。我们发现FsRTCas1–Cas2确实可以在对细胞RNA进行采样时创建转录历史，获得新的间隔区，并随着时间的推移保留大肠杆菌的转录应答。

因此，我们的Record-seq技术诞生了，我们迫切希望将其应用于哺乳动物肠道环境。作为一个多学科的研究团队，我们开始了肠道微生物群的研究，并将前哨细胞喂给了小鼠。我们惊讶地发现，我们的前哨细胞记录肠道内的转录信息，当我们对粪便中的细胞进行DNA测序时，我们可以恢复这些信息。然后，我们开始改变小鼠的饮食，并发现Record-seq可揭示大肠杆菌对肠道近端部分不同饮食的明显适应，这是RNA-seq没有捕捉到的。这种方法使我们能够阐明大肠杆菌在肠道内尚未发现的适应性，这在未来可能对营养摄入有指导意义。

图. 微生物群隐秘的生命

结论及展望

本研究应用Record-seq作为肠道微生物群的诊断和研究工具。令我们非常惊讶的是，我们可以在许多情况下使用Record-seq——例如，在向具有复杂微生物群的小鼠喂食时，检测肠道炎症以及我们的大肠杆菌前哨细胞与其他共生细菌的相互作用。这种方法使我们能够窃听不同微生物群和它们的宿主之间的谈话，并揭示新的相互作用和对人类健康和疾病的影响。

肠道内隐藏的微生物群的生命极其复杂。Record-seq (一种前哨细胞系统)打开了了解胃肠道内营养、炎症和微生物相互作用如何影响健康和疾病的新窗口。

原文链接

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adf4442

转自：“生物医学科研之家”微信公众号

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