人腸道菌群不僅種類復(fù)雜，且在腸道中有特異的組織結(jié)構(gòu)，這些組織結(jié)構(gòu)對腸道菌群的功能和宿主的健康具有重要的作用。目前對腸道菌群組成的研究已經(jīng)比較多，但菌群的空間組織結(jié)構(gòu)研究尚淺。今天給大家分享一篇發(fā)表在Nature Communications的最新研究，通過構(gòu)建體外粘蛋白水凝膠，體外模擬腸道菌群空間組織結(jié)構(gòu)。

期刊：

nature communications??????

影響因子：

16.6

發(fā)表時間：

2023年6月

一、測序方法

對人腸道中119種常見可培養(yǎng)菌開展全基因組Illumina + Nanopore 測序，分析細菌完成圖；培養(yǎng)液宏基因組Illumina測序

二、主要結(jié)果

1.?體外微生物群落構(gòu)建及宏基因組分析

培養(yǎng)分離出人類腸道中普遍存在的123種細菌菌株，進行全基因組測序生成高質(zhì)量基因組（4種菌已有完整的基因組）（圖1A）。將這123種分離菌株合并成單一群落，接種到含有粘蛋白水凝膠（一種載體）的培養(yǎng)液中進行培養(yǎng)，3天傳代6次（圖1B）。宏基因組測序分析粘蛋白水凝膠以及上清液中的微生物群（圖1C）。

圖1（A-C）體外微生物群落構(gòu)建及分析

2.?粘蛋白水凝膠可以增加群落豐富度

在無載體的純液體培養(yǎng)基培養(yǎng)中，第4代時僅能檢測到55株菌，在粘蛋白水凝膠和上清液上分別可檢測到75和78株(圖1D)，表明有載體的培養(yǎng)更接近體內(nèi)條件。豐度的增加主要在厚壁菌門（圖1E），豐度的變化也發(fā)生在菌株水平，有效促進菌株共存。且粘蛋白水凝膠培養(yǎng)菌群在不同條件下表現(xiàn)有菌株豐度變化，可有效模擬菌群的時間空間組成。

圖1 （D-E）粘蛋白水凝膠增加了群落豐富度

3.?粘蛋白水凝膠和上清菌群之間存在菌種水平差異

通過比較從同一培養(yǎng)管的粘蛋白水凝膠和上清中采樣的亞群，研究菌株水平的空間差異。隨著時間的推移，菌株水平出現(xiàn)了不同范圍的富集(圖2A)，門水平?jīng)]有明顯的時間依賴性(圖2B)。密切相關(guān)的菌株可以表現(xiàn)出不同的富集表型（圖2C)。這表明腸道菌群中存在不同的應(yīng)變水平空間組織。

圖2?載體和上清菌群之間存在菌種水平差異

4.?KEGG分析與粘蛋白水凝膠相關(guān)的基因

KEGG數(shù)據(jù)分析顯示有244個KO家族在粘蛋白水凝膠上顯著富集，主要包括糖基轉(zhuǎn)移酶、差向異構(gòu)酶、糖還原酶、多糖膜轉(zhuǎn)運蛋白基因等，揭示了與生物膜形成和粘附相關(guān)的基因可能在調(diào)節(jié)腸道微生物群落的物理結(jié)構(gòu)中發(fā)揮關(guān)鍵作用。分析還發(fā)現(xiàn)菌株在載體上的富集與胞外多糖生物合成基因簇的存在有關(guān)（圖5）。

圖4?KEGG分析結(jié)果

圖5?菌株在載體上的富集與脂/胞外多糖生物合成基因簇的存在有關(guān)

三、實驗結(jié)論

粘蛋白水凝膠培養(yǎng)的腸道菌群與傳統(tǒng)的液體培養(yǎng)等方法相比有顯著的不同，可能更有效模擬體內(nèi)菌群的空間組織結(jié)構(gòu)。研究通過宏基因組分析發(fā)現(xiàn)，細菌的粘附相關(guān)基因和一些連接基因可能是調(diào)控空間組織的重要因素。該方法為深入探究腸道菌群的空間組織和特定基因功能提供了重要的手段。

閱讀原文

Culturing of a complex gut microbial?community in mucin-hydrogel carriers?reveals strain- and gene-associated spatial?organization.Nature Communications,2023