Science：利用Record-seq技术记录肠道细菌的基因表达

在一项新的研究中，来自瑞士苏黎世联邦理工学院、巴塞尔大学、伯尔尼大学和博特纳儿童健康研究中心的研究人员为肠道细菌配备了数据记录器功能，以此来监测肠道细菌中哪些基因是活跃的。这些肠道细菌有朝一日可能提供一种诊断疾病或评估饮食对健康影响的非侵入性手段。相关研究结果发表在2022年5月13日的Science期刊上，论文标题为“Noninvasive assessment of gut function using transcriptional recording sentinel cells”。

肠道是无数细菌的家园，这些细菌帮助我们消化食物。但是这些微生物在体内究竟做什么？它们产生哪些酶，以及何时产生？这些细菌又是如何代谢促进健康的食物，帮助我们避免疾病？

为了获得这些问题的答案，这些作者对细菌进行了改造，使得它们成为基因活性信息的数据记录器。他们如今在小鼠身上测试了这些细菌。这是未来将传感细菌应用于医学的重要一步，比如诊断营养不良和了解哪些饮食对个人有益。

免疫系统成为数据记录器

这种称为Record-seq的数据记录器功能是由苏黎世联邦理工学院生物工程教授Randall Platt领导的研究人员在过去几年中基于CRISPR开发的。为了做到这一点，他们采用了CRISPR-Cas机制，这是一种天然存在于许多细菌物种中的免疫系统。如果细菌受到病毒的攻击，它们可以将病毒的DNA或RNA片段纳入自己基因组的CRISPR阵列中。这让细菌“记住”它们曾经接触过的病毒，使它们能够以更快的速度击退未来的相同病毒攻击。

为了将这一机制用作数据记录器，这些作者没有关注病毒入侵者的DNA片段，而是关注其他东西：该机制可以被利用，使细菌将它们自己的信使RNA（mRNA）片段纳入CRISPR阵列。因此，mRNA片段可以揭示哪些基因被用来表达执行细胞功能的蛋白。

为了使该方法有效，这些作者将细菌物种Fusicatenibacter saccharivorans的CRISPR阵列引入肠道细菌大肠杆菌的一个被认为对人类安全并可作为益生菌使用的菌株中。引入的内容包括一种叫做逆转录酶的蓝图，它能够将RNA逆转录成DNA。这种酶还能将mRNA中的信息转录成DNA形式，它与伴随的CRISPR相关蛋白一起是将DNA片段纳入CRISPR阵列所必需的。

在不干扰身体的情况下获取信息

接下来，这些作者在伯尔尼大学医院胃肠病学教授兼主任Andrew Macpherson的领导下，在实验室里给小鼠注射了这些经过改造的肠道细菌。他们收集了这些小鼠的粪便样本并分离出细菌DNA，然后用高通量DNA测序法对分离出的细菌DNA进行分析。通过随后进行的生物信息学评估，他们能够通过大量的数据，重建mRNA片段的遗传信息。这使得他们能够通过非侵入性手段确定肠道细菌在体内的时间内制造给定mRNA分子的频率，从而确定哪些基因是活跃的。

图片来自Pixabay/CC0 Public Domain。

Macpherson说，“这种新方法让我们直接从肠道获得信息，而不必干扰肠道功能。因此，这种方法比内窥镜检查有很大的优势，因为内窥镜检查会让患者感到不愉快，而且总是涉及到干扰肠道功能，因为检查时需要排空肠道。”

确定饮食状况

Macpherson说，“细菌非常善于记录环境条件，并使它们的代谢适应新的环境，如饮食变化。”在给小鼠提供不同食物的实验中，这些作者能够显示这些肠道细菌如何使得它们的代谢适应各自的营养供应。

这些作者希望进一步开发这种方法，以便有一天他们能够研究人类患者，看看饮食如何影响肠道生态系统以及这如何影响健康。在未来，他们希望使用这种方法来确定儿童或成人的饮食状况。掌握了这些信息，医生将能够诊断出营养不良或决定患者是否需要营养补充剂。

此外，这些作者还能够识别肠道中的炎症反应。他们给患有肠道炎症的小鼠以及健康小鼠注射了这种传感细菌。通过这种方式，他们可以确定切换到炎症模式的肠道细菌的特定mRNA谱。

区分不同的细菌

这项新的研究取得的一项科学发展使得这些作者能够根据单个基因“条形码”来区分两种细菌菌株。在未来，这将使得在实验动物中研究细菌中基因突变的功能成为可能。这将使得科学家们能够比较不同细菌的mRNA谱，如相比于突变细菌的正常细菌。多亏了这种分子数据记录器，第一次有可能确定细菌通过肠道时而不仅仅是在细菌到达粪便时的mRNA谱，因为，因此这一信息显示了当它们仍生活在肠道时发生的情况。

另一个可想而知的途径是进一步开发这种方法，以便区分小肠和大肠中的细菌的RNA谱。此外，这种数据记录器的功能可以被纳入其他类型的细菌中。这将为环境监测方面的应用打开大门。例如，对作物田的土壤细菌进行分析，将确定是否使用了除草剂。

安全应用成为可能

这些作者已为这种方法本身以及作为某些营养分子的标志和肠道健康指标的特征RNA谱申请了专利。

在这种传感细菌可以在实验室外使用---包括在人类患者身上使用---之前，这些作者仍然必须澄清各种安全和法律问题，因为这些细菌已经发生基因改造。Platt解释说，“原则上，只要满足某些条件，就有办法将活的经过基因改造的微生物作为医学的诊断剂或治疗剂。”例如，有可能修改这种传感细菌，使它们需要某些营养物，因此只能在患者的肠道内生存。一旦这些特定的细菌离开肠道，它们就会死亡。整合适当的安全机制是将这种方法应用于医学的下一步。（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

1. Florian Schmidt et al. Noninvasive assessment of gut function using transcriptional recording sentinel cells. Science, 2022, doi:10.1126/science.abm6038.

2. Bacteria with recording function capture gut health status
https://phys.org/news/2022-05-bacteria-function-capture-gut-health.html