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Mapping Bacterial Neighborhoods in the Gut

在某些方面,我们肠道里的微生物群和我们一样:它们生活在群落中,吃东西,工作,繁殖,最终死亡。这些细菌中有许多与我们的身体和谐共存,为我们提供营养和庇护。当正确的细菌种类不能与我们的身体建立适当的共生关系时,我们可能会面临更大的风险患上各种免疫、神经和代谢性疾病。

现在,加州理工学院的研究人员与麻省理工学院布罗德研究所(Broad Institute of MIT)和哈佛大学(Harvard)合作,发现特定种类的细菌在肠道内的停留位置不同,其行为也不同。这项工作是在小鼠模型上完成的,但绘制肠道微生物种群的地理分布——统称为肠道微生物群落——可能在未来某一天对治疗和重塑一个出错的人类微生物群落至关重要。

这项研究主要在Sarkis Mazmanian、Luis B.和Nelly Soux教授的实验室中进行,他们是微生物学和传统医学研究所的研究员。一篇描述这项研究的论文发表在3月9日的《自然微生物学》杂志上。

多年来,Mazmanian实验室已经描述了脆弱拟杆菌如何在肠道内产生有益分子,保护小鼠免受炎症性肠病和类似自闭症的症状。就像一个人口密集的城市,绝大多数的脆弱B.在肠道内生活在肠管的中心部分,称为管腔。然而,马兹马尼亚实验室在2013年发现,一些脆弱的B.存在于细菌群落中,就像小城镇一样,隐藏在试管内壁的组织壁上的微小口袋中。这些稀疏的种群受到粘液的保护,基本上不受抗生素的影响,这表明它们是种群的蓄水池,确保了长期的定殖。

对于人类来说,我们所居住的地方可以决定我们的行为——例如,一个人生活在城市里可能与生活在一个小乡村社区的人有不同的日常生活,",前研究生格雷戈里·唐纳森说,他是这篇新论文的第一作者。对于我们所研究的细菌来说,肠道代表了它们的整个世界,所以我们想知道它们的行为有多不同取决于它们离肠道表面有多远

尽管它们在肠道内可能生活在不同的栖息地,这些脆弱B.种群都有相同的遗传密码。然而,不同之处在于它们表达这些基因的方式——例如,一个细菌是表达一种用于复制和分裂的基因,还是一种消化食物的酶?Donaldson的目的是测量和比较这两个人群(肠壁组织和肠腔)的基因表达,以确定是否存在差异。

这是一个技术挑战。由于生活在组织内膜上的细菌数量很少,它们的遗传物质在测序时被老鼠细胞的遗传物质所掩盖,而老鼠细胞的遗传物质要比细菌丰富得多。尽管小鼠和细菌在基因上有明显的不同,但筛选小鼠RNA以找到细菌RNA就像大海捞针。

在这方面,与布罗德研究所的阿什莉·厄尔的重要合作使这项研究成为可能。厄尔和她的团队领导了一项新技术的开发,这项技术被称为“杂交选择RNA测序”,旨在找出难以捉摸的细菌RNA链,就像用磁铁在干草堆里寻找针一样。

Earl说:“受之前在人类血液中对一小群寄生虫进行排序的方法启发,我们开发了一种技术,这种技术可以使我们在这些富含宿主的样本中检测到的细菌RNA数量增加几个数量级。”这种技术不仅有助于揭示类杆菌与宿主关系的一个新方面,而且现在为我们提供了一种更通用的工具,来窃听人类与其最稀有的居住者之间的对话

这项技术表明,尽管脆弱杆菌的数量较少,但它在肠道组织中的代谢活性却惊人地高。唐纳森和他的团队发现,这些细菌中的一种特殊基因帮助它们在组织内膜上建立立足点。没有这个基因,它们就无法在这个栖息地定居,这对它们在动物身上长期定居是不利的。

相比之下,生活在腔内的脆弱B.忙于消化食物和营养,但它们似乎更注重生存而不是生长。这表明,上皮表面实际上是这些细菌的首选栖息地。

由于B. fragilis在肠道中被认为可以为宿主提供有益的保护,这项研究表明,空间上的亲密关系对于这些积极的影响是必要的。最终,了解细菌是如何在肠道内定居并持续存在的,可能会产生新的策略来强化健康的人体微生物群来预防或治疗疾病。

马兹马尼安说:“虽然我们通过DNA测序技术非常了解哪些细菌寄居在人类体内,以及由于疾病或其他因素导致的微生物群落成员的变化,但我们对细菌在我们体内活动的了解远远不够。”"第一次,这项工作让我们了解了一种重要的人类肠道细菌在殖民老鼠时的生活方式和行为。了解关键细菌在肠道内的实际活动可能有助于从微生物群落中开发出合理和有效的治疗方法

文章题目为易感拟杆菌在生理性小鼠近端结肠内的"Spatially distinct physiology of Bacteroides fragilis。"除了Donaldson, Earl和Mazmanian,其他的合著者有Wen-Chi Chou, Abigail Manson, Peter Rogov, James Bochicchio, Dawn Ciulla, Alexandre Melnikov和Georgia Giannoukos,他们来自麻省理工学院哈佛大学的Broad Institute;麻省理工学院布罗德研究所(Broad Institute of MIT)、哈佛大学(Harvard)和代尔夫特理工大学(Delft University of Technology)的托马斯•阿比尔(Thomas Abeel);加州大学圣地亚哥分校的Peter Ernst和Hiutung Chu。资金由美国国立卫生研究院(National Institutes of Health)、美国传统医学研究院(Heritage Medical Research Institute)和美国国家科学基金会(National Science Foundation)提供。

Mazmanian是加州理工学院天桥和Chrissy Chen神经科学研究所的附属教员。唐纳森现在是洛克菲勒大学的博士后。在加州理工学院期间,他获得了劳伦斯·l·弗格森和奥黛丽·w·弗格森杰出生物学博士论文奖,以及米尔顿和弗朗西斯·克劳塞博士相关微生物组研究论文奖。

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