上海交通大学医学院杨朝勇、王炜Sci. Adv.: 揭示小鼠肠道细菌的体内生长和分裂模式

【引言】

哺乳动物肠道菌群的生物多样性和复杂性为调查和理解这些亲密的微生物邻居带来了巨大障碍。为了充分理解肠道菌群执行的生理和病理功能，了解其基本的微生物学功能（例如不同细菌如何在肠道中生长和分裂）至关重要。然而，即使经过近二十年不断增加的肠道菌群研究，许多这类问题仍未解决。在体外分离培养肠道细菌的困难，也是这些微生物通常被称为肠道中“暗物质”的部分原因，这阻止了研究人员在实验室中进一步研究这些细菌。在微生物学家为优化不同肠道细菌的培养条件进行了广泛的努力之后，逐渐可以在体外单独培养更多的物种。但是，尽管如此，对于可以在体外培养和研究的细菌而言，在体外研究中获得的微生物知识在何种情况下可以转化为体内的真实情况仍有待商榷。因此，非常需要一种可用于直接探测和研究体内肠道微生物的方法。

【成果简介】

       目前研究肠道菌群的技术无法回答一些重要的微生物学问题，例如不同细菌如何在肠道中生长和分裂。上海交通大学医学院杨朝勇、王炜团队提出了一种新策略，该方法将基于序贯的D型氨基酸的体内代谢标记（STAMP）与荧光原位杂交（FISH）集成在一起，用于表征肠道细菌的生长和分裂方式。通过管饲法向小鼠依次施用两种含不同荧光团的基于D型氨基酸的探针后，所得的双色标记肽聚糖可提供有关肠道细菌细胞壁合成的时间信息。用FISH探针进行分类鉴定后，揭示了相应细菌种属的生长和分裂模式，包括无法在体外单独培养的细菌物种。这个方法为研究肠道细菌的体内生长动态过程提供了便捷而强大的工具，这将增进人们对细菌细胞学的理解，并有助于阐明这些肠道“暗物质”的基本微生物学。该成果近期以题为“Revealing the in vivo growth and division patterns of mouse gut bacteria”发表在Sci. Adv.上。

【图文导读】

图1.基于FDAA的标记策略与FISH染色以及顺序标记的肠道菌群的双色荧光成像相集成的示意图

（A）TADA和Cy5ADA在3小时的间隔内通过管饲法给予小鼠

（B）依次用TADA（绿色）和Cy5ADA（红色）标记的肠道细菌的双色荧光成像

（C）从上面的合并图像中放大显示指示的细菌

图2.在标记的肠道菌群中可以观察到经典的细菌生长和分裂模式

（A）PGN的扩散合成

（B）PGN的螺旋合成

（C）隔膜合成主导细胞分裂

（D）极性增长

（E）菌茎/芽形成

图3.共聚焦荧光成像的12种FDAA标记和FISH染色的肠道细菌属

（A-F）六个革兰氏阴性属中FDAA标记细菌的代表性图像

（G-L）六个革兰氏阳性属中FDAA标记细菌的代表性图像

图4.梭状芽胞杆菌显示出不同的细胞生长和分裂模式

（A）通过FISH染色鉴定的梭菌属多表型细菌的共聚焦荧光成像

（B）靶向相应梭菌物种的三种FISH探针显示了其独特的FDAA标记模式

图5.FDAA标记和FISH染色的肠道细菌物种的共聚焦荧光成像

揭示了三种可体外培养的物种（A-C）和三种尚未在实验室中单独培养的物种（D-F）的生长模式

图6.顺序标记的SFB的共聚焦荧光成像

SFB中观察到了SFB的一些特征性元素，包括处于不同分化阶段的片段（A），节段内的片段（B），不对称分裂位置（C）的针状保持和三隔膜和对称分裂位点（D）

【小结】

在这个工作中，作者为了开发一种可以直接探查和可视化不同肠道细菌的生长和分裂方式的方法，提出了一种基于STAMP和荧光原位杂交（FISH）的探测策略。在这种方法中，通过灌饲法依次将两种具有不同荧光团的FDAA给予小鼠，以记录标记期间体内细菌的生长和分裂过程。因此，使用不同属和种的FISH探针鉴定标记的细菌，以此能够确定不同的细菌类群，特别是不能体外培养的细菌类群，如何在哺乳动物肠道中生长和分裂。

文献链接：Revealing the in vivo growth and division patterns of mouse gut bacteria. Sci. Adv., 2020, DOI: 10.1126/sciadv.abb2531

本文由材料人学术组tt供稿，材料牛整理编辑。