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《细胞》:华人科学家开发基因编辑工具,在肠道菌群中探索目标基因

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学术经纬

2022-01-20 11:00

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▎药明康德内容团队编辑

近些年来,肠道微生物与人类健康的关系受到科学界的广泛关注。大量肠道微生物的基因与宿主生理功能、疾病密切相关,并且对癌症免疫疗法、粪菌移植等治疗手段有着重要影响。

不过,科学家对肠道微生物的认识还远远谈不上全面。人们了解更多的,是大肠杆菌、多形拟杆菌这些模式肠道细菌。例如早在2001年,人类基因组计划就完成了对大肠杆菌基因组的测序。对于这些模式细菌,科学界已经拥有了成熟的基因编辑方法。

但是,对于在肠道中起主导作用的非模式细菌,人们还没有获得它们的基因组信息,也没有合适的基因编辑模块。因此,目前科学界难以对这类细菌进行有效的基因编辑。

为了解决这个问题,来自美国康奈尔大学威尔康奈尔医学院的Chun-Jun Guo 研究组决定寻找向非模式肠道细菌引入外源DNA的手段并建立基因编辑的方法。在一项发表于《细胞》的最新研究中,该团队成功构建出针对非模式肠道细菌的基因编辑工具,并且利用这套工具探索了:一个参与胆汁酸转化过程的关键基因,是如何影响宿主生理功能的。

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这项研究选择的菌株,主要是两类在健康人肠道中常见的细菌:梭菌纲和拟杆菌纲

最新论文的第一作者,Chun-Jun Guo团队的金文兵博士表示,引入外源质粒的难点主要体现在两方面:“其一,复制起点的选择有很多,每一株细菌采用哪一种复制起点需要筛选;其二,很多菌株本身具有对外源质粒的防御机制,因此需要在引入质粒的过程中进行多个参数的优化。”

因此,对于梭菌纲菌株,为了引入外源DNA,研究团队在多个层面对其进行了优化,包括增加候选复制起点的数量、优化抗性基因的启动子、尝试不同的接合转移供体、尝试不同引入质粒的方法等,最终确定了38株梭菌纲菌株的质粒引入方法。

在此基础上,在菌株基因组信息未知的情况下,作者分别采用CRISPRi-dCpf1和Group II intron两种基因编辑的手段,验证了引入外源质粒的菌株的基因编辑可行性。

另一方面,对于拟杆菌纲菌株,作者在对多个参数条件进行优化之后,引入自杀型质粒。在菌株基因组信息未知的情况下,研究者同样验证了该菌株的外源质粒引入方法和可编辑性。

肠道细菌基因编辑工具的开发,帮助在复杂肠道菌群中探索目标基因的功能(图片来源:参考资料[1])

这种新方法已经帮助研究团队发现了一个调控肠道炎症的机制。

在肠道微生物的作用下,胆酸等初级胆汁酸通过一个名为7α脱羟基化的反应,转变为次级胆汁酸。这些次级胆汁酸达到一定浓度后,会影响宿主代谢、引发炎症。

在这项研究中,Chun-Jun Guo 研究组从可基因编辑的菌株中,发现其中一株具有使初级胆汁酸转变为次级胆汁酸的活性。通过基因组测序找到对应的胆酸诱导操纵子后,作者敲除了在这个反应过程中起到关键作用的baiH基因。

将baiH敲除突变株定植于小鼠体内之后,相比于野生型小鼠,这些小鼠具有更好的抗炎症表现,其原因可能是肠道中具有促炎作用的细菌Erysipelotrichaceae的丰度显著降低。

图片来源:123RF

综上所述,作者筛选了一系列肠道细菌引入外源DNA的方法,建立了合适的基因编辑手段,对其中的目标基因进行编辑并进行了体外和体内验证,并且成功应用该手段探索了胆汁酸转化途径的关键基因baiH影响宿主生理功能的机制。

对于该策略的应用前景,金文兵博士表示:“该基因编辑方法开发策略的建立,一方面可以指导我们用同样的策略来开发其他肠道细菌的基因编辑方法,从而有机会从分子水平了解肠道细菌基因-代谢物-宿主之间的关系;另一方面,可以大大拓展能够研究的肠道细菌对象,而并非局限于目前仅有的少数可基因编辑的菌株。”

参考资料:

[1] Wen-bing Jin et al., Genetic manipulation of gut microbes enables single-gene interrogation in a complex microbiome. Cell (2022). DOI:https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.12.035

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