今日Cell：重磅综述详解菌群研究的单细胞技术 | 热心肠日报

今天是第2242期日报。

Cell：人类微生物组研究的单细胞方法（综述）

Cell[IF:66.85]

① 用于分离、培养和分析复杂群落中单个微生物的基因组和转录组的单细胞技术，是人类微生物组研究的前沿技术，主要包括液滴微流控方法和基于微阵列（微孔板）的方法；② 单细胞基因组学分析不仅扩展了微生物生命树，还加深了对人类微生物组的生态和演化的认知；③ 单细胞转录组学可揭示微生物的功能异质性，包括基于组合条形码的方法（PETRI-seq和Micro-SLit）、基于荧光原位杂交的空间转录组学（Parseq-FISH）和宿主-微生物双重转录组学技术；④ 现有的宿主scRNA-seq数据是挖掘隐藏微生物RNA信息的宝库。

Single-cell approaches in human microbiome research
07-21, doi: 10.1016/j.cell.2022.06.040

【主编评语】随着人类微生物组研究的深入，新的研究方法也不断出现并普及。Cell最新发表了来自比利时鲁汶大学Jeroen Raes团队的重磅综述，详细介绍了用于研究人类微生物组的各种前沿单细胞方法，并探讨了该领域存在的挑战。文章干货很多，推荐研读原文。（@mildbreeze）

低温保存介质条件影响人肠道厌氧菌恢复和培养

Microbiome[IF:16.837]

① 对11名健康志愿者的粪样用4种介质：不加培养基、CB培养基、CB+甘油和CB+DMSO在− 80°C保存，分离培养并分析比较；② 不同保存条件下，粪菌复活培养数量差异显著，但微生物组成无差异；③ 保存后样品稀释度和原始样品的丰富度是影响可培养细菌丰富度（菌属级别）的主要因素；④ 特定菌属的恢复与保存条件有关，45个常见属中的22个在所有条件中都恢复；⑤ 不加培养基和CB+DMSO组常见菌属最多（35/45），其培养物的物种丰富度也最高（72和66）。

Effect of cryopreservation medium conditions on growth and isolation of gut anaerobes from human faecal samples
05-30, doi: 10.1186/s40168-022-01267-2

【主编评语】在培养组学研究的样品收集阶段，粪样保存的最佳条件对于后期尽可能覆盖和恢复肠道微生物组的多样性至关重要。Microbiome最新发表的文章对不同的低温保存方法进行了探索。（@好雨）

3D成像技术监测肠粘膜菌群空间结构

PNAS[IF:12.779]

① 结合组织清除技术、16S rRNA测序、荧光原位杂交、光谱成像等技术，开发了一套以分类学和空间分辨率揭示菌群组成的方法；② 对不同肠段的菌群成像观察，发现细菌主要进入隐窝定植，该过程是空间依赖的动态过程；③ 环丙沙星处理可降低细菌负荷及耗竭Muribaculaceae菌科，停止处理细菌重定殖后Muribaculaceae也无法恢复；④ 菌群结构相似的盲肠隐窝空间距离更近，由未被定植的隐窝包围，这种空间结构对抗生素耗竭Muribaculaceae菌科具备抗性。

Three-dimensional imaging for the quantification of spatial patterns in microbiota of the intestinal mucosa
04-27, doi: 10.1073/pnas.2118483119

【主编评语】这是发表在PNAS上的一份工作，作者通过改良组织清除和保存的技术，结合16S rRNA测序、荧光原位杂交、光谱成像等技术，实现了对肠道样本特别是肠道菌群的三维空间成像定量观测。有趣的是，他们发现盲肠隐窝中的肠道菌群存在着独特的空间分布和一定的菌群稳定性。使用环丙沙星耗竭菌群后再撤掉抗生素，隐窝菌群可恢复到未接触抗生素的水平，但Muribaculaceae菌科无法恢复，同时菌群结构相似的隐窝空间距离更近，在其外围由无细菌定植的隐窝包围，产生了对抗生素耗竭Muribaculaceae的独特抗性。此外，尽管A. muciniphila以粘蛋白代谢能力而著称，但在数百个隐窝中作者也仅观察到一个有A. muciniphila定植的隐窝。（@Johnson）

毛胜勇+刘军花：全面分析反刍动物胃肠道菌群的维生素B和K2生物合成

Microbiome[IF:16.837]

① 分析1.7万个反刍动物胃肠道微生物基因组，鉴定出参与维生素B族和K2生物合成的113万个基因、167种酶和2366个高质量基因组；② 维生素B族和K2合成主要由胃部菌群完成，大肠菌群也有贡献；③ 在2366个基因组中，近半数只能合成1种维生素，2.7%能合成≥5种维生素；④ 多数微生物消耗钴胺（编码钴胺转运蛋白或依赖性酶），少数有完整的钴胺合成途径；⑤ 高谷物日粮抑制瘤胃菌群的钴胺合成，但增强其他维生素合成，提示膳食纤维对钴胺合成的重要性。

Metagenomic insights into the microbe-mediated B and K2 vitamin biosynthesis in the gastrointestinal microbiome of ruminants
07-21, doi: 10.1186/s40168-022-01298-9

【主编评语】在畜牧养殖中，向日粮中添加维生素有助于改善动物健康，但增加成本。很多胃肠道微生物具有合成维生素的能力，如能善加利用可帮助减少过多的维生素补充，从而降低养殖成本。南京农业大学的毛胜勇、刘军花与团队在Microbiome发表最新研究，全面分析了参与反刍动物维生素B族和K2生物合成的胃肠道微生物基因和基因组，揭示了维生素生物合成在胃肠道中的分布特点和饮食的影响，并特别分析了菌群的钴胺（维生素B12）生物合成。这些发现有望为增强反刍动物胃肠道微生物的维生素B族和K2生物合成，提供新的解决方案。（@mildbreeze）

微生物帮助蜜蜂幼虫应对营养压力

ISME Journal[IF:11.217]

① 营养不良给蜜蜂带来多种生存压力，特别是营养不良的幼虫无法发育成满足蜂群的工蜂；② Bombella apis存在于蜜蜂幼虫体内、幼虫食物和分泌蜂王浆的成虫的腺体中，在大部分工蜂体内不存在，是唯一能在蜂王浆中持续存活的蜜蜂幼虫微生物；③ B. apis可以合成所有的必需氨基酸，基因组上获得了大量的氨基酸转运体基因；④ B. apis A29可以提高蜜蜂幼虫食物中必需氨基酸赖氨酸的含量，帮助幼虫在缺乏营养的环境中生长。

Honey bee symbiont buffers larvae against nutritional stress and supplements lysine
06-20, doi: 10.1038/s41396-022-01268-x

【主编评语】ISME Journal发表的这项研究，发现蜜蜂幼虫的一种共生细菌Bombella apis（原名Parasaccharibacter apium）是幼虫的营养共同体，可以为幼虫提供必需氨基酸，支持其在缺乏营养的条件下生长。（@mildbreeze）

Wnt和Src信号协同调控肠道再生

EMBO Journal[IF:14.012]

① 双敲除Yap/Taz导致肠干细胞凋亡和升结肠横向褶皱缺陷，对损伤更敏感，表明Yap/Taz是肠道干细胞存活和再生所必需的；② 双敲除Lats1/2促进YAP核转位导致隐窝增生、Wnt通路和TEAD1/4转录激活；③ Wnt通路可诱导肠道细胞中YAP和TEAD1/2/4的激活；④ 肠类器官响应机械刺激导致的YAP核转位依赖于Src信号抑制 LATS1/2，而非Wnt通路；⑤ 辐射损伤后，肠道再生时Src-YAP信号上调，而YAP-TEAD激活需依赖Wnt，表明肠道再生由Src与Wnt信号协同调控。

Wnt and Src signals converge on YAP‐TEAD to drive intestinal regeneration
2021-05-05, doi: 10.15252/embj.2020105770

【主编评语】现在已经发现有很多因子在肠道损伤再生中发挥着重要的作用，例如Wnt信号通路，粘着斑激酶（FAK），Src激酶和YAP转录因子等。但是，Wnt信号通路与FAK、Src激酶，特别是YAP在肠道损伤再生中的关系一直以来存在争议。近期一篇发表在EMBO Journal上的研究工作发现，YAP- TEAD是Wnt通路调控肠道损伤再生下游的重要转录因子，其活性的变化会显著改变肠道干细胞的状态。此外，YAP通常仅在肠隐窝基部的干细胞中表现为核定位，但是肠道经辐射损伤时，在通过Src激酶依赖的方式在大多数肠道细胞中转为核定位。该研究揭示了Wnt和Src协同激活YAP- TEAD信号驱动肠道损伤再生中的机制。（@Zhonghua）

Nature子刊：肠绒毛区特殊血管结构维持的机制

Nature Communications[IF:17.694]

① 不同于普通血管中内皮细胞结构，肠绒毛顶端血管内皮细胞由单个极化性内皮细胞组成，细胞核均极化至间质侧，该特征的维持依赖于VEGF信号通路；② 表达Lgr5绒毛尖端特洛细胞（VTT）是一类新型的血管外周成纤维细胞，其仅存在于绒毛血管与肠上皮细胞相邻一侧；③ 特异性敲除VTT，会消除绒毛顶端血管内皮的特征结构和极化模式；④ 机制上，VTT表达ADAMTS18可以通过水解纤连蛋白从而抑制VEGF信号向间质区扩散，从而维持绒毛血管的极性结构特征。

ADAMTS18+ villus tip telocytes maintain a polarized VEGFA signaling domain and fenestrations in nutrient-absorbing intestinal blood vessels
07-09, doi: 10.1038/s41467-022-31571-2

【主编评语】小肠中经肠吸收细胞吸取的营养物质需要进入血液从而向全身输送。为了能够有效实现对吸收营养物质的运输，小肠绒毛处的毛细血管表现出一种典型的特殊结构特征，即在面向肠上皮的血管内皮细胞会有很多的开孔以适合营养物质进入血管，但是面向间质的血管内皮细胞却保持与其他位置的血管内皮细胞一样，不具有开孔的机构。对于这种特殊血管内皮结构维持的机制一直以来并不清楚。近期一篇发表在Nature子刊，Nature Communications上的研究工作发现，在肠绒毛尖端的表达Lgr5和ADAMTS18的特洛细胞对于维持上述肠绒毛处血管内皮细胞的特征具有重要的作用，其表达的ADMATS18可以有效抑制纤连蛋白的聚集，从而限制了面向绒毛顶端的血管内皮细胞的VEGF促进的对内皮细胞打孔的作用。该研究对于深刻认识肠绒毛血管结构特征的维持具有重要的科学价值。（@Zhonghua）

清华大学：肠道顶端表面原位结构揭示微绒毛表面存在纳米毛

PNAS[IF:12.779]

① 秀丽隐杆线幼虫肠微绒毛侧面有大量高度和直径恒定的刚毛状结构，基于其尺寸和已知结构将其命名为纳米毛，小鼠肠道中也存在此结构；② CDH-8蛋白决定纳米毛形成和微绒毛间距，其突变导致纳米毛丢失和微绒毛的间距缩短，并影响机体的食物更新导致幼虫生长变缓；③ CDH-8参与微绒毛正常组装和形成，其突变导致两个新生微绒毛无法分隔从而形成Y型微绒毛；④ Airyscan技术观察到微绒毛分裂理论，即两个新生微绒毛由一个旧微绒毛分裂产生。

In situ structure of intestinal apical surface reveals nanobristles on microvilli
06-06, doi: 10.1073/pnas.2122249119

【主编评语】肠道上皮细胞微绒毛在物质吸收、分泌和抵御病原菌侵染等生理过程中发挥重要作用。近日，清华大学的欧光朔、李雪明及团队在PNAS发表最新研究，他们运用冷冻聚焦离子束扫描电镜、冷冻透射电镜等技术发现了细胞微绒毛表面存在新型生物结构的纳米毛，并应用多项技术鉴定到形成纳米毛的关键基因。此外，通过超分辨活体荧光时序成像拍摄到微绒毛在线虫体内可能的分裂过程，为微绒毛分裂模型提供了一定的直接证据。（@九卿臣）

Cell子刊：Akk菌或可成为致病性大肠杆菌的帮凶？

Cell Reports[IF:9.995]

① 黏附侵袭大肠杆菌（AIEC）等利用L-丝氨酸的细菌在炎症性肠病患者中体内富集；② 限制L-丝氨酸饮食通过肠道菌群加剧DSS诱导的小鼠结肠炎，同时导致致病性的AIEC和嗜粘蛋白阿克曼菌（Akk菌）大量繁殖；③ Akk菌对粘液层的降解促进AIEC对上皮的侵袭；④ AIEC和Akk菌在L-丝氨酸缺乏下协同加重结肠炎；⑤ AIEC利用宿主来源的L-丝氨酸来抵抗膳食中L-丝氨酸的缺乏。

Mucolytic bacteria license pathobionts to acquire host-derived nutrients during dietary nutrient restriction
07-19, doi: 10.1016/j.celrep.2022.111093

【主编评语】这是一份发表在Cell Reports上的工作，作者通过前期研究基础以及炎症性肠病（IBD）相关测序数据发现致病性大肠杆菌如黏附侵袭大肠杆菌（AIEC）等在IBD患者中富集，同时患者体内L-丝氨酸代谢肠菌富集，L-丝氨酸水平降低。通过限制饮食中的L-丝氨酸，他们发现DSS诱导的结肠炎表型加剧，且肠内AIEC和嗜粘蛋白阿克曼菌（Akk菌）丰度增加。体外模型发现Akk菌通过降解粘液使AIEC有机会侵入上皮生态位，同时AIEC在L-丝氨酸缺乏时在上皮生态位可利用宿主衍生的L-丝氨酸进行扩张。（@Johnson）

感谢本期日报的创作者：mildbreeze，周梦情，一只赵崽儿呀，香芋，MD，任正楠

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