新方法鑒定腸道微生物組產(chǎn)生的代謝物分子

腸道菌群產(chǎn)生數(shù)百種以高水平存在于血液循環(huán)中的分子，它們的水平在不同人之間差異很大。這些分子是研究腸道微生物組與宿主相互作用的一個有前景的起點(diǎn)；少數(shù)經(jīng)過詳細(xì)描述的分子具有強(qiáng)效的免疫或代謝調(diào)節(jié)活性，并且是G蛋白偶聯(lián)受體或核激素受體的配體。但是，在大多數(shù)情況下，這些分子的產(chǎn)生尚未與特定的細(xì)菌菌株或代謝途徑相關(guān)聯(lián)在一起，并且難以弄清每種分子對宿主生物學(xué)的貢獻(xiàn)。

一種敲除宿主組織中腸道微生物組衍生性分子（編者注：由腸道微生物組產(chǎn)生的分子）的通用方法將能夠探究它們調(diào)節(jié)宿主生物學(xué)和疾病過程的機(jī)制。由于受到腸道微生物組中細(xì)菌物種的遺傳可操作性的限制，開發(fā)這樣的方法一直是難以實(shí)現(xiàn)的。梭菌（Clostridium）及其近親厭氧的厚壁菌（Firmicute）尤其難以操縱。由于厭氧的厚壁菌是這個分子庫（編者注：指的是由腸道微生物組產(chǎn)生的全部分子）中許多分子的來源，因此它們的遺傳難處理性是研究腸道微生物組衍生性分子的主要挑戰(zhàn)。

在一項(xiàng)新的研究中，來自美國斯坦福大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)的研究人員描述了一種基于CRISPR-Cas9的方法，用于在模式共生梭菌---生孢梭菌（Clostridiumsporogenes）---中可靠地構(gòu)建無需進(jìn)行標(biāo)記的不產(chǎn)生特定代謝物分子的細(xì)菌突變體。這種方法能夠構(gòu)建出多種發(fā)生突變的生孢梭菌菌株。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在2019年12月13日的Science期刊上，論文標(biāo)題為“Depletionofmicrobiome-derivedmoleculesinthehostusingClostridiumgenetics”。

圖片來自Science,2019,doi:10.1126/science.aav1282。

通過使用這種方法敲除10種由產(chǎn)孢梭菌產(chǎn)生的分子---*安、5-氨基戊酸酯、色胺、吲哚丙酸、異戊酸、2-甲基丁酸、異丁酸、異己酸、丙酸和丁酸，他們展示了它的實(shí)用性；我們通過液相色譜-質(zhì)譜或氣相色譜-質(zhì)譜法驗(yàn)證體外培養(yǎng)的生孢梭菌的提取物中相應(yīng)代謝物的缺乏來驗(yàn)證了每種敲除的成功性。

接著，他們將野生型生孢梭菌或者這5種缺乏相應(yīng)代謝物的生孢梭菌突變體之一定植到無菌小鼠中，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在定植野生型生孢梭菌的小鼠中，這些代謝途徑的產(chǎn)物在宿主組織中積累，但是每種代謝物可通過定植相應(yīng)的代謝途徑突變體來加以剔除。通過比較接種野生型生孢梭菌定植的小鼠和接種缺乏產(chǎn)生分支短鏈脂肪酸---異丁酸、2-甲基丁酸或異戊酸---的生孢梭菌突變體的小鼠，他們發(fā)現(xiàn)這些豐富的腸道微生物組衍生性分子具有一種以前未知的調(diào)節(jié)免疫球蛋白A（IgA）漿細(xì)胞的活性。

這種針對腸道微生物組中大量存在的細(xì)菌種類的新型遺傳操縱方法將能夠解決一系列機(jī)制上的問題。除此之外，這種方法為以一種可控的方式研究腸道微生物組衍生性分子在宿主生物學(xué)中的作用打開了大門。它的應(yīng)用范圍有望擴(kuò)大到其他當(dāng)前無法培養(yǎng)的厚壁菌，比如產(chǎn)生丁酸的梭菌屬IV簇細(xì)菌和梭菌屬XIVa簇細(xì)菌（比如，F(xiàn)aecalibacteriumprausnitzii）和產(chǎn)生膽汁酸代謝物的Clostridiumscindens和Clostridiumhylemonae。它也有望通過對產(chǎn)生代謝物的厚壁菌的基因組進(jìn)行編輯來控制腸道微生物組產(chǎn)生的代謝物分子。