上海交通大学医学院杨朝勇&王炜Acc. Chem. Res.:肠道中的共生微生物和致病细菌的成像

【引言】

作为一个新发现的器官，在过去的二十年中，肠道菌群得到了广泛的研究，它们在宿主众多器官和系统的生理病理过程中的高度多样化和基础性的作用逐渐被揭示。但是，当前大多数研究严重依赖于DNA测序的方法。为了真正了解共生和致病性肠道细菌表现出的复杂功能，我们需要更强大的方法和工具，其中最适合的成像策略是能够在不同环境中接近该生态系统原位状态的策略。尽管 “暗物质”这一说法经常被用来指许多肠道细菌的不可培养性，但它也可用于描述在肠道中可视化这些微生物时的巨大困难。为了开发合适的，多功能的化学和生物学工具来对肠道细菌进行成像，科研工作者在过去的几年中付出了巨大的努力。

【成果简介】

在此综述中，上海交通大学医学院杨朝勇&王炜重点介绍了其团队和其他实验室在开发肠道中共生微生物和致病菌可视化策略方面的最新进展。首先，作者总结了在开发抗生素衍生的荧光探针方面所做的努力，该探针直接结合特定的细菌表面结构，以实现选择性标记不同种类的肠道细菌。接下来，详细讨论了，基于代谢标记的非天然糖和稳定同位素的成像策略，在不同情景中和多种尺度上对肠道细菌进行成像。然后，文章介绍了基于核酸染色的细菌成像，使用一般的核酸结合试剂或选择性标记技术（例如荧光原位杂交（FISH））来满足各种应用场景中肠道菌群研究的需求。近年来，由于一系列新技术的进步，核酸染色这种经典的成像策略也迎来了复兴。此外，尽管在许多的肠道共生细菌中进行基因操作存在极大的困难，但科学界最近在利用荧光蛋白和声响应蛋白等报告基因来改造肠道细菌方面也做出了巨大的努力。最后，文章还介绍了对这一新兴领域当前的局限性以及发展趋势的看法。该成果以题为“Imaging Commensal Microbiota and Pathogenic Bacteria in the Gut”发表在Acc. Chem. Res.上。

【图文导读】

Figure 1.用于研究肠道细菌的成像工具主要包括抗生素衍生的荧光探针、代谢标记探针、核酸染色探针和基因编码的报告基因

（a）万古霉素（Vanco）衍生的荧光探针靶向革兰氏阳性菌细胞壁肽聚糖中的D-Ala-D-Ala结构，多粘菌素B（PxB）和十三碳素A（TriA）衍生的荧光探针则分别结合到革兰氏阴性菌的脂多糖和脂质II结构上。（b）荧光D-氨基酸探针（FDAA）可通过细菌转肽酶代谢掺入到肽聚糖五肽结构末端。携带生物正交基团的非天然糖可通过补救合成途径整合到细菌表面的多糖结构中，随后利用点击化学进行荧光标记成像。肠道菌群觅食带有同位素标记的宿主粘蛋白后，可被质谱成像。（c）也可使用核酸染色探针（例如DAPI染色和FISH荧光探针）对肠道细菌进行成像。（d）或者利用遗传操作工具使肠道细菌表达荧光蛋白、荧光素酶或者气泡，来对肠道细菌进行荧光成像或超声成像。

Figure 2.抗生素衍生的荧光探针用于成像肠道菌群

（a-b）万古霉素（Vanco）和多粘菌素B（PxB）荧光衍生物的结构式。（c）PxB-Cy3探针（绿色）和Vanco-Cy5探针（红色）分别靶向标记小鼠肠道菌群的阴性菌和阳性菌。（d）十三碳素A（TriA）荧光衍生物的结构式。（e）TriA-TAMRA（红色）和Vanco-BODIPY（绿色）分别标记小鼠肠道菌群的阴性菌和阳性菌。

Figure 3.FDAA的代谢标记探针用于成像肠道细菌

（a）FDAA探针在细菌细胞壁的合成代谢过程中掺入到肽聚糖五肽结构末端。（b）荧光成像观察小鼠结肠组织切片中HADA标记的粪肠球菌。（c）两种FDAA荧光的标记情况反映了粪菌移植后植入菌的存活情况。（d）STAMP标记策略与FISH染色相结合可以揭示小鼠不同肠道细菌在体原位的生长分裂模式。（e）FDAA的荧光标记强度（红色线）与模式菌株的生长代谢水平（蓝色线）高度相关。（f）将近红外二区荧光连接的D-型氨基酸（DAA-NIR-II）探针标记的沙门氏菌移植到小鼠肠道中，可活体成像观察沙门氏菌在肠道中的活动轨迹。（g）3D重构结果显示植入菌（红色/蓝色）在肠道组织上的生物地理信息。

Figure 4.其他代谢标记策略用于成像肠道细菌

（a）将携带生物正交基团的非天然氨基酸代谢掺入基因工程改造的大肠杆菌的表面蛋白，连接荧光团后，可成像追踪肠道中的大肠杆菌。（b-c）利用代谢寡糖工程(MOE)对肠道细菌进行成像。（d）RNA探针代谢标记肠道细菌新合成的RNA。（e）NanoSIMS成像觅食了同位素标记的宿主黏蛋白的肠道细菌。

Figure 5.核酸染色用于成像肠道菌群

（a）利用DAPI染色成像小鼠肠腔中的肠道细菌。（b）基于CLASI-FISH策略同时成像观察肠道切片上15种肠道细菌的空间分布。（c）改进的HiPR-FISH策略能够同时成像肠道中1024种肠道细菌。

Figure 6.遗传操作工具用于成像肠道细菌

（a）构建合成生物学平台，对定殖在小鼠肠道中的6种拟杆菌属菌株进行成像。（b）利用基因工程技术使大肠杆菌形成充气的蛋白质纳米结构（气泡）来反射超声波，进而超声成像小鼠体内的大肠杆菌。（c）MAGIC策略通过操纵移动基因元件库，可对哺乳动物肠道菌群进行原位基因操作。

【小结】

在这篇综述中，上海交通大学医学院杨朝勇&王炜重点介绍了其团队和其他课题组在过去五年中开发的对肠道共生和致病性细菌进行成像的化学生物学工具和新方法，并提供了对这一研究领域中的挑战和趋势的看法。

文献链接：Imaging Commensal Microbiota and Pathogenic Bacteria in the Gut, Acc. Chem. Res., 2021, DOI:10.1021/acs.accounts.1c00068

本文由材料人学术组tt供稿，材料牛整理编辑。