华人科学家开发基因编辑工具 在肠道菌群中探索目标基因

近些年来，肠道微生物与人类健康的关系受到科学界的广泛关注。大量肠道微生物的基因与宿主生理功能、疾病密切相关，并且对癌症免疫疗法、粪菌移植等治疗手段有着重要影响。

不过，科学家对肠道微生物的认识还远远谈不上全面。人们了解更多的，是大肠杆菌、多形拟杆菌这些模式肠道细菌。例如早在2001年，人类基因组计划就完成了对大肠杆菌基因组的测序。对于这些模式细菌，科学界已经拥有了成熟的基因编辑方法。

但是，对于在肠道中起主导作用的非模式细菌，人们还没有获得它们的基因组信息，也没有合适的基因编辑模块。因此，目前科学界难以对这类细菌进行有效的基因编辑。

为了解决这个问题，来自美国康奈尔大学威尔康奈尔医学院的Chun-Jun Guo 研究组决定寻找向非模式肠道细菌引入外源DNA的手段并建立基因编辑的方法。在一项发表于《细胞》的最新研究中，该团队成功构建出针对非模式肠道细菌的基因编辑工具，并且利用这套工具探索了：一个参与胆汁酸转化过程的关键基因，是如何影响宿主生理功能的。

这项研究选择的菌株，主要是两类在健康人肠道中常见的细菌：梭菌纲和拟杆菌纲。

对于梭菌纲菌株，为了引入外源DNA，研究团队在多个层面对其进行了优化，包括增加候选复制起点的数量、优化抗性基因的启动子、尝试不同的接合转移供体、尝试不同引入质粒的方法等，最终确定了38株梭菌纲菌株的质粒引入方法。

在此基础上，在菌株基因组信息未知的情况下，作者分别采用CRISPRi-dCpf1和Group II intron两种基因编辑的手段，验证了引入外源质粒的菌株的基因编辑可行性。

另一方面，对于拟杆菌纲菌株，作者在对多个参数条件进行优化之后，引入自杀型质粒。在菌株基因组信息未知的情况下，研究者同样验证了该菌株的外源质粒引入方法和可编辑性。

▲肠道细菌基因编辑工具的开发，帮助在复杂肠道菌群中探索目标基因的功能（图片来源：参考资料[1]）

这种新方法已经帮助研究团队发现了一个调控肠道炎症的机制。

在肠道微生物的作用下，胆酸等初级胆汁酸通过一个名为7α脱羟基化的反应，转变为次级胆汁酸。这些次级胆汁酸达到一定浓度后，会影响宿主代谢、引发炎症。

在这项研究中，Chun-Jun Guo 研究组从可基因编辑的菌株中，发现其中一株具有使初级胆汁酸转变为次级胆汁酸的活性。通过基因组测序找到对应的胆酸诱导操纵子后，作者敲除了在这个反应过程中起到关键作用的baiH基因。

将baiH敲除突变株定植于小鼠体内之后，相比于野生型小鼠，这些小鼠具有更好的抗炎症表现，其原因可能是肠道中具有促炎作用的细菌Erysipelotrichaceae的丰度显著降低。

综上所述，作者筛选了一系列肠道细菌引入外源DNA的方法，建立了合适的基因编辑手段，对其中的目标基因进行编辑并进行了体外和体内验证，并且成功应用该手段探索了胆汁酸转化途径的关键基因baiH影响宿主生理功能的机制。

注：原文有删减

参考资料：

[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