上海交通大學醫學院楊朝勇、王煒Sci. Adv.: 揭示小鼠腸道細菌的體內生長和分裂模式

【引言】

哺乳動物腸道菌群的生物多樣性和復雜性為調查和理解這些親密的微生物鄰居帶來了巨大障礙。為了充分理解腸道菌群執行的生理和病理功能，了解其基本的微生物學功能（例如不同細菌如何在腸道中生長和分裂）至關重要。然而，即使經過近二十年不斷增加的腸道菌群研究，許多這類問題仍未解決。在體外分離培養腸道細菌的困難，也是這些微生物通常被稱為腸道中“暗物質”的部分原因，這阻止了研究人員在實驗室中進一步研究這些細菌。在微生物學家為優化不同腸道細菌的培養條件進行了廣泛的努力之后，逐漸可以在體外單獨培養更多的物種。但是，盡管如此，對于可以在體外培養和研究的細菌而言，在體外研究中獲得的微生物知識在何種情況下可以轉化為體內的真實情況仍有待商榷。因此，非常需要一種可用于直接探測和研究體內腸道微生物的方法。

【成果簡介】

???????目前研究腸道菌群的技術無法回答一些重要的微生物學問題，例如不同細菌如何在腸道中生長和分裂。上海交通大學醫學院楊朝勇、王煒團隊提出了一種新策略，該方法將基于序貫的D型氨基酸的體內代謝標記（STAMP）與熒光原位雜交（FISH）集成在一起，用于表征腸道細菌的生長和分裂方式。通過管飼法向小鼠依次施用兩種含不同熒光團的基于D型氨基酸的探針后，所得的雙色標記肽聚糖可提供有關腸道細菌細胞壁合成的時間信息。用FISH探針進行分類鑒定后，揭示了相應細菌種屬的生長和分裂模式，包括無法在體外單獨培養的細菌物種。這個方法為研究腸道細菌的體內生長動態過程提供了便捷而強大的工具，這將增進人們對細菌細胞學的理解，并有助于闡明這些腸道“暗物質”的基本微生物學。該成果近期以題為“Revealing the in vivo growth and division patterns of mouse gut bacteria”發表在Sci. Adv.上。

【圖文導讀】

圖1.基于FDAA的標記策略與FISH染色以及順序標記的腸道菌群的雙色熒光成像相集成的示意圖

（A）TADA和Cy5ADA在3小時的間隔內通過管飼法給予小鼠

（B）依次用TADA（綠色）和Cy5ADA（紅色）標記的腸道細菌的雙色熒光成像

（C）從上面的合并圖像中放大顯示指示的細菌

圖2.在標記的腸道菌群中可以觀察到經典的細菌生長和分裂模式

（A）PGN的擴散合成

（B）PGN的螺旋合成

（C）隔膜合成主導細胞分裂

（D）極性增長

（E）菌莖/芽形成

圖3.共聚焦熒光成像的12種FDAA標記和FISH染色的腸道細菌屬

（A-F）六個革蘭氏陰性屬中FDAA標記細菌的代表性圖像

（G-L）六個革蘭氏陽性屬中FDAA標記細菌的代表性圖像

圖4.梭狀芽胞桿菌顯示出不同的細胞生長和分裂模式

（A）通過FISH染色鑒定的梭菌屬多表型細菌的共聚焦熒光成像

（B）靶向相應梭菌物種的三種FISH探針顯示了其獨特的FDAA標記模式

圖5.FDAA標記和FISH染色的腸道細菌物種的共聚焦熒光成像

揭示了三種可體外培養的物種（A-C）和三種尚未在實驗室中單獨培養的物種（D-F）的生長模式

圖6.順序標記的SFB的共聚焦熒光成像

SFB中觀察到了SFB的一些特征性元素，包括處于不同分化階段的片段（A），節段內的片段（B），不對稱分裂位置（C）的針狀保持和三隔膜和對稱分裂位點（D）

【小結】

在這個工作中，作者為了開發一種可以直接探查和可視化不同腸道細菌的生長和分裂方式的方法，提出了一種基于STAMP和熒光原位雜交（FISH）的探測策略。在這種方法中，通過灌飼法依次將兩種具有不同熒光團的FDAA給予小鼠，以記錄標記期間體內細菌的生長和分裂過程。因此，使用不同屬和種的FISH探針鑒定標記的細菌，以此能夠確定不同的細菌類群，特別是不能體外培養的細菌類群，如何在哺乳動物腸道中生長和分裂。

文獻鏈接：Revealing the in vivo growth and division patterns of mouse gut bacteria. Sci. Adv., 2020, DOI: 10.1126/sciadv.abb2531

本文由材料人學術組tt供稿，材料牛整理編輯。