新方法鉴定肠道微生物组产生的代谢物分子

肠道菌群产生数百种以高水平存在于血液循环中的分子，它们的水平在不同人之间差异很大。这些分子是研究肠道微生物组与宿主相互作用的一个有前景的起点；少数经过详细描述的分子具有强效的免疫或代谢调节活性，并且是G蛋白偶联受体或核激素受体的配体。但是，在大多数情况下，这些分子的产生尚未与特定的细菌菌株或代谢途径相关联在一起，并且难以弄清每种分子对宿主生物学的贡献。

一种敲除宿主组织中肠道微生物组衍生性分子（编者注：由肠道微生物组产生的分子）的通用方法将能够探究它们调节宿主生物学和疾病过程的机制。由于受到肠道微生物组中细菌物种的遗传可操作性的限制，开发这样的方法一直是难以实现的。梭菌（Clostridium）及其近亲厌氧的厚壁菌（Firmicute）尤其难以操纵。由于厌氧的厚壁菌是这个分子库（编者注：指的是由肠道微生物组产生的全部分子）中许多分子的来源，因此它们的遗传难处理性是研究肠道微生物组衍生性分子的主要挑战。

在一项新的研究中，来自美国斯坦福大学等研究机构的研究人员描述了一种基于CRISPR-Cas9的方法，用于在模式共生梭菌---生孢梭菌（Clostridiumsporogenes）---中可靠地构建无需进行标记的不产生特定代谢物分子的细菌突变体。这种方法能够构建出多种发生突变的生孢梭菌菌株。相关研究结果发表在2019年12月13日的Science期刊上，论文标题为“Depletionofmicrobiome-derivedmoleculesinthehostusingClostridiumgenetics”。

图片来自Science,2019,doi:10.1126/science.aav1282。

通过使用这种方法敲除10种由产孢梭菌产生的分子---三甲胺、5-氨基戊酸酯、色胺、吲哚丙酸、异戊酸、2-甲基丁酸、异丁酸、异己酸、丙酸和丁酸，他们展示了它的实用性；我们通过液相色谱-质谱或气相色谱-质谱法验证体外培养的生孢梭菌的提取物中相应代谢物的缺乏来验证了每种敲除的成功性。

接着，他们将野生型生孢梭菌或者这5种缺乏相应代谢物的生孢梭菌突变体之一定植到无菌小鼠中，结果发现在定植野生型生孢梭菌的小鼠中，这些代谢途径的产物在宿主组织中积累，但是每种代谢物可通过定植相应的代谢途径突变体来加以剔除。通过比较接种野生型生孢梭菌定植的小鼠和接种缺乏产生分支短链脂肪酸---异丁酸、2-甲基丁酸或异戊酸---的生孢梭菌突变体的小鼠，他们发现这些丰富的肠道微生物组衍生性分子具有一种以前未知的调节免疫球蛋白A（IgA）浆细胞的活性。

这种针对肠道微生物组中大量存在的细菌种类的新型遗传操纵方法将能够解决一系列机制上的问题。除此之外，这种方法为以一种可控的方式研究肠道微生物组衍生性分子在宿主生物学中的作用打开了大门。它的应用范围有望扩大到其他当前无法培养的厚壁菌，比如产生丁酸的梭菌属IV簇细菌和梭菌属XIVa簇细菌（比如，Faecalibacteriumprausnitzii）和产生胆汁酸代谢物的Clostridiumscindens和Clostridiumhylemonae。它也有望通过对产生代谢物的厚壁菌的基因组进行编辑来控制肠道微生物组产生的代谢物分子。