撰文 | Enigma

肠道内的细菌不断地调整它们的基因表达以适应与饮食、健康和疾病相关的环境条件。整个肠道细菌基因表达模式的无创测量对于理解体内微生物生理和病理学至关重要。目前为了获取足够的肠道内短暂或者近端事件的信息，主要是通过使用间接或者浸入性的方法来进行测量，它干扰了正常的生理状态，并且不适用于临床实践。

近期，瑞士苏黎世联邦理工大学的Randall J. Platt和伯尔尼大学的Andrew J. Macpherson两个课题组合作在Science发表了题为Noninvasive assessment of gut function using transcriptional recording sentinel cells的研究论文。他们利用CRISPR/Cas系统开发了一种存储转录事件的细胞记录设备，能够使工程细菌持续记录细菌种群中基因表达的发展过程。随着时间的推移，细胞内RNA片段被转化为DNA，并通过包含逆转录酶融合蛋白Cas1 (RTCas1) 和Cas2的整合复合物，作为CRISPR阵列中间隔序列的历史记录进行整合。在本研究中，他们使用了一种完善的Record-seq方法，利用大肠杆菌前哨细胞进行转录的记录，揭示了在不同饮食和疾病环境下未受创伤的小鼠肠道和微生物群生理状态。

在本研究中，首先作者利用转录记录前哨细胞的实验技术，在无菌的胃肠道和小鼠中，通过记录间隔序列的DNA来评估肠道的功能。作者主要通过粪便样本实现对小肠近端到远端的不同的转录记录，而这些取决于饮食、炎症和细菌-细菌相互作用。

本研究发现，随着时间的推移和肠道传播过程，从稳定定植的无菌小鼠粪便中提取的前哨细胞，会积累新的间隔序列。在实验中，小鼠饲料组与淀粉或脂肪组的粪便记录序列是不同的。进一步的研究发现，这些饮食的转录记录保存在粪便间隔序列中的时间比较久，甚至在饮食切换两周后都仍然存在。然而特定饮食小鼠粪便中的细菌RNA-sequencing (RNA-seq) 文件则会迅速丢失。接下来，作者通过直接测量发现Record-seq有效地捕获了近端瞬时转录事件。证明了在限制碳源可用性条件下，不同的碳源偏好性和细菌通过Entner-Doudoroff途径代谢hexuronate，紧接着通过竞争性定植野生型 (WT) 和一个含有hexuronate分解代谢缺陷的DidnK/DgntK大肠杆菌进行了验证。发现除了包含碳源偏好性和代谢信息以外，转录组尺度记录还提供了与淀粉喂养小鼠盲肠pH降低相关的酸应激反应的证据。在葡聚糖硫酸钠 (DSS) 结肠炎模型中，前哨细胞记录了与无氧代谢降低、应急反应、氧化和膜应激增加相一致的转录改变。通过与拟杆菌共定植，研究拟杆菌对由拟杆菌苷水解酶释放的纤维源性糖类的吸收和代谢记录，结果表明拟杆菌可能是交叉取食的。

最后，作者发现在繁殖了12种微生物模型菌群的小鼠中，Record-seq也能够捕捉特定饮食的信号。此外，他们通过使用条形码CRISPR阵列，表明Record-seq可以在几个以相同的细菌形式定植于肠道中的菌株多路复用，从而阐明单基因突变体对与野生型菌株竞争的补偿反应。

总的来说，本工作通过对转录进行记录的前哨细胞在小鼠肠道内发挥的功能，并从时间尺度上，沿着肠道长度记录与饮食、疾病和微生物相互作用相关的在转录组尺度上的信息。作者开发的这个转录记录技术使肠道的非侵入性（无创）测量成为可能，有望在生物医学研究和未来的生物医学诊断应用中发挥作用。

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abm6038

制版人：十一

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