華人科學家開發基因編輯工具 在腸道菌群中探索目標基因

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

不過，科學家對腸道微生物的認識還遠遠談不上全面。人們了解更多的，是大腸桿菌、多形擬桿菌這些模式腸道細菌。例如早在2001年，人類基因組計劃就完成了對大腸桿菌基因組的測序。對于這些模式細菌，科學界已經擁有了成熟的基因編輯方法。

但是，對于在腸道中起主導作用的非模式細菌，人們還沒有獲得它們的基因組信息，也沒有合適的基因編輯模塊。因此，目前科學界難以對這類細菌進行有效的基因編輯。

為了解決這個問題，來自美國康奈爾大學威爾康奈爾醫學院的Chun-Jun Guo 研究組決定尋找向非模式腸道細菌引入外源DNA的手段并建立基因編輯的方法。在一項發表于《細胞》的最新研究中，該團隊成功構建出針對非模式腸道細菌的基因編輯工具，并且利用這套工具探索了：一個參與膽汁酸轉化過程的關鍵基因，是如何影響宿主生理功能的。

這項研究選擇的菌株，主要是兩類在健康人腸道中常見的細菌：梭菌綱和擬桿菌綱。

對于梭菌綱菌株，為了引入外源DNA，研究團隊在多個層面對其進行了優化，包括增加候選復制起點的數量、優化抗性基因的啟動子、嘗試不同的接合轉移供體、嘗試不同引入質粒的方法等，最終確定了38株梭菌綱菌株的質粒引入方法。

在此基礎上，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，驗證了引入外源質粒的菌株的基因編輯可行性。

另一方面，對于擬桿菌綱菌株，作者在對多個參數條件進行優化之后，引入自殺型質粒。在菌株基因組信息未知的情況下，研究者同樣驗證了該菌株的外源質粒引入方法和可編輯性。

▲腸道細菌基因編輯工具的開發，幫助在復雜腸道菌群中探索目標基因的功能（圖片來源：參考資料[1]）

這種新方法已經幫助研究團隊發現了一個調控腸道炎癥的機制。

在腸道微生物的作用下，膽酸等初級膽汁酸通過一個名為7α脫羥基化的反應，轉變為次級膽汁酸。這些次級膽汁酸達到一定濃度后，會影響宿主代謝、引發炎癥。

在這項研究中，Chun-Jun Guo 研究組從可基因編輯的菌株中，發現其中一株具有使初級膽汁酸轉變為次級膽汁酸的活性。通過基因組測序找到對應的膽酸誘導操縱子后，作者敲除了在這個反應過程中起到關鍵作用的baiH基因。

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

綜上所述，作者篩選了一系列腸道細菌引入外源DNA的方法，建立了合適的基因編輯手段，對其中的目標基因進行編輯并進行了體外和體內驗證，并且成功應用該手段探索了膽汁酸轉化途徑的關鍵基因baiH影響宿主生理功能的機制。

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