近些年來(lái)，腸道微生物與人類健康的關(guān)系受到科學(xué)界的廣泛關(guān)注。大量腸道微生物的基因與宿主生理功能、疾病密切相關(guān)，并且對(duì)癌癥免疫療法、糞菌移植等治療手段有著重要影響。

不過(guò)，科學(xué)家對(duì)腸道微生物的認(rèn)識(shí)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)談不上全面。人們了解更多的，是大腸桿菌、多形擬桿菌這些模式腸道細(xì)菌。例如早在2001年，人類基因組計(jì)劃就完成了對(duì)大腸桿菌基因組的測(cè)序。對(duì)于這些模式細(xì)菌，科學(xué)界已經(jīng)擁有了成熟的基因編輯方法。

但是，對(duì)于在腸道中起主導(dǎo)作用的非模式細(xì)菌，人們還沒(méi)有獲得它們的基因組信息，也沒(méi)有合適的基因編輯模塊。因此，目前科學(xué)界難以對(duì)這類細(xì)菌進(jìn)行有效的基因編輯。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，來(lái)自美國(guó)康奈爾大學(xué)威爾康奈爾醫(yī)學(xué)院的Chun-Jun Guo 研究組決定尋找向非模式腸道細(xì)菌引入外源DNA的手段并建立基因編輯的方法。在一項(xiàng)發(fā)表于《細(xì)胞》的最新研究中，該團(tuán)隊(duì)成功構(gòu)建出針對(duì)非模式腸道細(xì)菌的基因編輯工具，并且利用這套工具探索了：一個(gè)參與膽汁酸轉(zhuǎn)化過(guò)程的關(guān)鍵基因，是如何影響宿主生理功能的。

這項(xiàng)研究選擇的菌株，主要是兩類在健康人腸道中常見(jiàn)的細(xì)菌：梭菌綱和擬桿菌綱。

對(duì)于梭菌綱菌株，為了引入外源DNA，研究團(tuán)隊(duì)在多個(gè)層面對(duì)其進(jìn)行了優(yōu)化，包括增加候選復(fù)制起點(diǎn)的數(shù)量、優(yōu)化抗性基因的啟動(dòng)子、嘗試不同的接合轉(zhuǎn)移供體、嘗試不同引入質(zhì)粒的方法等，最終確定了38株梭菌綱菌株的質(zhì)粒引入方法。

在此基礎(chǔ)上，在菌株基因組信息未知的情況下，作者分別采用CRISPRi-dCpf1和Group II intron兩種基因編輯的手段，驗(yàn)證了引入外源質(zhì)粒的菌株的基因編輯可行性。

另一方面，對(duì)于擬桿菌綱菌株，作者在對(duì)多個(gè)參數(shù)條件進(jìn)行優(yōu)化之后，引入自殺型質(zhì)粒。在菌株基因組信息未知的情況下，研究者同樣驗(yàn)證了該菌株的外源質(zhì)粒引入方法和可編輯性。

▲腸道細(xì)菌基因編輯工具的開(kāi)發(fā)，幫助在復(fù)雜腸道菌群中探索目標(biāo)基因的功能（圖片來(lái)源：參考資料[1]）

這種新方法已經(jīng)幫助研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了一個(gè)調(diào)控腸道炎癥的機(jī)制。

在腸道微生物的作用下，膽酸等初級(jí)膽汁酸通過(guò)一個(gè)名為7α脫羥基化的反應(yīng)，轉(zhuǎn)變?yōu)榇渭?jí)膽汁酸。這些次級(jí)膽汁酸達(dá)到一定濃度后，會(huì)影響宿主代謝、引發(fā)炎癥。

在這項(xiàng)研究中，Chun-Jun Guo 研究組從可基因編輯的菌株中，發(fā)現(xiàn)其中一株具有使初級(jí)膽汁酸轉(zhuǎn)變?yōu)榇渭?jí)膽汁酸的活性。通過(guò)基因組測(cè)序找到對(duì)應(yīng)的膽酸誘導(dǎo)操縱子后，作者敲除了在這個(gè)反應(yīng)過(guò)程中起到關(guān)鍵作用的baiH基因。

將baiH敲除突變株定植于小鼠體內(nèi)之后，相比于野生型小鼠，這些小鼠具有更好的抗炎癥表現(xiàn)，其原因可能是腸道中具有促炎作用的細(xì)菌Erysipelotrichaceae的豐度顯著降低。

綜上所述，作者篩選了一系列腸道細(xì)菌引入外源DNA的方法，建立了合適的基因編輯手段，對(duì)其中的目標(biāo)基因進(jìn)行編輯并進(jìn)行了體外和體內(nèi)驗(yàn)證，并且成功應(yīng)用該手段探索了膽汁酸轉(zhuǎn)化途徑的關(guān)鍵基因baiH影響宿主生理功能的機(jī)制。

注：原文有刪減

參考資料：

[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