Science：新方法鑒定腸道微生物組產生的代謝物分子

　　腸道菌群產生數百種以高水平存在于血液循環中的分子，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；少數經過詳細描述的分子具有強效的免疫或代謝調節活性，并且是G蛋白偶聯受體或核激素受體的配體。但是，在大多數情況下，這些分子的產生尚未與特定的細菌菌株或代謝途徑相關聯在一起，并且難以弄清每種分子對宿主生物學的貢獻。

　　一種敲除宿主組織中腸道微生物組衍生性分子（編者注：由腸道微生物組產生的分子）的通用方法將能夠探究它們調節宿主生物學和疾病過程的機制。由于受到腸道微生物組中細菌物種的遺傳可操作性的限制，開發這樣的方法一直是難以實現的。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。

　　在一項新的研究中，來自美國斯坦福大學等研究機構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（Clostridium sporogenes）---中可靠地構建無需進行標記的不產生特定代謝物分子的細菌突變體。這種方法能夠構建出多種發生突變的生孢梭菌菌株。相關研究結果發表在2019年12月13日的Science期刊上，論文標題為“Depletion of microbiome-derived molecules in the host using Clostridium genetics”。

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

　　通過使用這種方法敲除10種由產孢梭菌產生的分子---三甲胺、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，他們展示了它的實用性；我們通過液相色譜-質譜或氣相色譜-質譜法驗證體外培養的生孢梭菌的提取物中相應代謝物的缺乏來驗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種缺乏相應代謝物的生孢梭菌突變體之一定植到無菌小鼠中，結果發現在定植野生型生孢梭菌的小鼠中，這些代謝途徑的產物在宿主組織中積累，但是每種代謝物可通過定植相應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，他們發現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節免疫球蛋白A（IgA）漿細胞的活性。

　　這種針對腸道微生物組中大量存在的細菌種類的新型遺傳操縱方法將能夠解決一系列機制上的問題。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中的作用打開了大門。它的應用范圍有望擴大到其他當前無法培養的厚壁菌，比如產生丁酸的梭菌屬IV簇細菌和梭菌屬XIVa簇細菌（比如，Faecalibacterium prausnitzii）和產生膽汁酸代謝物的Clostridium scindens和Clostridium hylemonae。它也有望通過對產生代謝物的厚壁菌的基因組進行編輯來控制腸道微生物組產生的代謝物分子。