郭春君等Cell突破：成功编辑几十株非模式肠道菌的基因 | 热心肠日报

今天是第2066期日报。

郭春君团队Cell突破：在复杂菌群中揭示单个肠菌基因功能，新方法来了

Cell[IF:41.582]

① 开发一套对5个菌门的非模式肠道细菌进行基因操纵的高通量流程；② 通过多因子优化，确定了对梭菌纲38个非模式菌株进行基因转移的方法，对其中28个菌株建立了基于CRISPRi或II类内含子的基因编辑工具；③ 该方法能有效进行细菌基因编辑，并在体外和小鼠体内调节对应的细菌代谢产物（如SCFA）；④ 构建敲除baiH（胆汁酸7α脱羧通路的关键基因）的某梭菌菌株，将该突变株或对照菌株定植到有复杂菌群的小鼠中进行对比分析，表明敲除baiH影响了宿主的胆汁酸池和菌群组成，并通过减少丹毒丝菌科的扩张减轻了结肠炎症。

Genetic manipulation of gut microbes enables single-gene interrogation in a complex microbiome
01-19, doi: 10.1016/j.cell.2021.12.035

【主编评语】肠道菌群中，许多细菌基因是由非模式细菌编码的，因而难以通过靶向性的遗传操作去探索和验证这些基因对宿主生理的影响和机制。建立和筛选能有效针对非模式肠菌的基因操纵方法和工具，对于深入挖掘肠道细菌功能、探索细菌与宿主的互作机制，以及通过基因编辑来操控菌群以改善相关疾病，是至关重要的。Cell最新发表来自康奈尔大学郭春君团队的研究，在这一问题上取得了突破性进展。该团队开发了一套用于对非模式肠菌进行基因操纵的流程，能大规模地鉴定可进行基因转移（引入外源DNA）的肠道细菌及其方法，并建立对应的基因编辑工具，大幅拓展了可进行基因操纵的肠道细菌的范围。该团队在一项概念验证研究中，揭示了特定细菌胆汁酸代谢基因在具有复杂菌群的宿主体内的功能，并表明操纵菌群中的特定细菌基因可“撬动”菌群结构，改变宿主对特定疾病的易感性。总之，这项工作为研究肠道菌群基因与宿主的互作机制及其与疾病表型的因果关联，提供了一套强有力的工具，为进一步研发靶向性操纵肠道菌群的方法迈出了重要的一步。（@mildbreeze）

Cell子刊：拟杆菌多糖利用基因座决定肠道菌群适应性和群落间互作

Cell Host and Microbe[IF:21.023]

① 建立了有效编辑单形拟杆菌（BU）基因组的CRISPR-FnCpf1联合RecT诱导表达编辑系统；② 研究了23个BU多糖利用基因座（PULs），不同PULs对不同复杂碳源有独特适应性调节作用；③ 对不同碳源环境，体外和体内研究显示PULs通过调节宿主与BU、BU与其他菌群的关系，从而显著影BU的适应性和定植能力；④ PULs缺陷导致BU丰度下降会显著减少产丁酸盐菌（BP）；⑤ BU通过不同的PULs利用复杂碳源，为BP生长提供聚糖、多糖分解产物或代谢副产物。

Polysaccharide utilization loci in Bacteroides determine population fitness and community-level interactions
01-06, doi: 10.1016/j.chom.2021.12.006

【主编评语】人类肠道微生物群的一个核心功能是将膳食和宿主来源的多糖(即多糖)转化为代谢产物，调节我们的能量平衡，提供对肠道病原体的定植抗性，并维持肠道内环境平衡。拟杆菌由于具有多种碳水化合物酶类，可以代谢多种糖类物质，对宿主具有重要的作用，因此是人类肠道菌群中的优势菌。尽管已经发现了拟杆菌的多糖利用基因座，但还有更多的多糖利用基因组没有被发现。此外，多糖代谢产物对于不同菌群有着不同的作用，但拟杆菌不同PULs导致的多糖代谢变化对肠道菌群的互作和变化的作用尚不明确。近期一篇发表在Cell子刊，Cell Host&Microbe上的研究工作，通过利用CRISPR-Cas9的筛选方法，发现并研究了拟杆菌中23个PULs在不同多糖情况下的功能和转录协同。特定的PULs尽管在一些微生境中对于菌群适应性发挥好的作用，但是对于宿主肠道整个微生态的适应性和定植能力具有负面效应。此外，研究者证明了BU中的PULs可以塑造生态动力学和有益的代谢物丁酸的生产。（@Zhonghua）

Cell子刊：一类可移动遗传元件，或帮助拟杆菌在肠道中获得竞争优势

Cell Reports[IF:9.423]

① 在人肠道拟杆菌门细菌中鉴定出一类独特的可移动遗传元件（MGEs），共19个，编码潜在的类咕啉（一组环状四吡咯辅助因子，包括维生素B12）转运基因；② 这类MGEs包括2组接合转座子（CTns）和1组噬菌体；③ 在体外证实了其中2个CTns（BoCTn和BtCTn）的接合转移作用和维生素B12转运活性，并能赋予细菌竞争优势；④ 在小鼠中证实，BoCTn和BtCTn能实现在肠道内的基因转移，使缺乏维生素B12转运功能的拟杆菌恢复利用维生素B12的能力。

Mobilization of vitamin B12 transporters alters competitive dynamics in a human gut microbe
2021-12-28, doi: 10.1016/j.celrep.2021.110164

【主编评语】由可移动遗传元件（MGEs）的水平转移，促进形成了人类肠道微生物组的功能和基因组多样性。一些MGEs编码的的基因，可能帮助细菌进行自我防御（如抗生素抗性），或提高细菌竞争资源（如维生素）的能力。维生素B12和相关化合物（类咕啉）是使肠道菌群中的拟杆菌成员定植的关键营养物质。Cell Reports发表的这项研究，从拟杆菌中鉴定出一类MGEs，编码了拟杆菌中的维生素B12转运体，并通过体外和体内实验证明了水平基因转移在塑造拟杆菌对B12等营养小分子的竞争中的重要性。（@mildbreeze）

Cell子刊：人肠道中的crAss样噬菌体

Cell Reports[IF:9.423]

① 纳入来自4个荷兰队列的1950名个体，鉴定出1556个crAss样噬菌体的基因组，与参考数据库相比，包含125个新噬菌体物种及32个新噬菌体属；② 紧密相关的crAss样噬菌体也可能具有不同的负责转录的基因模块；③ 与之前的报道一致，crAss样噬菌体的主要宿主是拟杆菌门细菌；④ 人肠道中的crAss样噬菌体可在长达4年时间内维持相对稳定；⑤ 在IBD患者的肠道中，可观察到crAss样噬菌体的缺失。

Discovery, diversity, and functional associations of crAss-like phages in human gut metagenomes from four Dutch cohorts
01-11, doi: 10.1016/j.celrep.2021.110204

【主编评语】crAss样噬菌体是一组相关病毒，包含了人肠道内的部分丰度最高的病毒。Cell Reports上发表的一项队列研究，对1950名荷兰人的肠道crAss样噬菌体的基因组、多样性及功能进行了深入分析。人肠道crAss样噬菌体可维持4年的相对稳定，并在IBD患者中缺失。（@aluba）

魏辅文+魏泓Cell子刊：肠道菌群的季节性变化，如何影响大熊猫长胖

Cell Reports[IF:9.423]

① 与吃竹叶的季节相比，大熊猫在吃竹笋的季节中可增加更多的体重；② 这伴随着肠道菌群组成和功能的季节性改变：在竹笋季，大熊猫肠道菌群中的产丁酸菌（如丁酸梭菌）丰度显著增加，产生更多的短链脂肪酸；③ 将竹笋季和竹叶季的大熊猫的粪便菌群移植给无菌小鼠，竹笋季菌群更能使小鼠增重长胖；④ 机制上，菌群产生的丁酸影响了肝脏的昼夜节律基因的表达，延长了Per2的上调，从而促进了磷脂合成和脂肪积累。

Seasonal shift of the gut microbiome synchronizes host peripheral circadian rhythm for physiological adaptation to a low-fat diet in the giant panda
01-18, doi: 10.1016/j.celrep.2021.110203

【主编评语】肠道菌群的特征伴随宿主饮食的变化而改变。然而，这些波动的潜在影响仍不清楚。中科院动物所魏辅文院士团队和第三军医大学魏泓教授团队合作，在Cell Reports发表研究，表明肠道菌群的季节性变化，可以影响宿主脂质代谢和体重增长，使大熊猫在吃竹笋的季节快速长胖，并揭示了相关分子机制。这些发现为研究野生动物的肠道菌群-宿主互作，带来新启示。（@mildbreeze）

间歇性禁食对肠道菌群和肥胖的作用（综述）

Nutrition Reviews[IF:7.11]

① 隔日禁食 (ADF) 和限时进食 (TRF) 是最常见的间歇性禁食方案，它们具有不同的代谢信号机制；② TRF通过调节昼夜节律系统来影响体重控制和生化参数，并通过影响瘦素分泌来改善饱腹感调控系统；③ 而ADF除了可以促进体重控制的激素调节外，还在禁食日减少了约75%的能量摄入；④ 此外，这两种方案都显示出可通过改变厚壁菌门/拟杆菌门比值和增加可对机体代谢进行调控的有益菌属（例如乳杆菌属和阿克曼氏菌）丰度以对抗体重增长的能力。

Repercussions of intermittent fasting on the intestinal microbiota community and body composition: a systematic review
01-10, doi: 10.1093/nutrit/nuab108

【主编评语】近期发表于Nutrition Reviews的一项系统综述纳入17项动物和人体研究，评估了间歇性禁食对肥胖个体的影响，评估结果显示隔日禁食 (ADF) 和限时进食 (TRF)方案对肠道菌群的重塑具有积极作用，它们可用于控制肥胖、提高胰岛素敏感性以及改善其他与肥胖相关的代谢变化。注：限时进食（TRF）是指每天进食时间在 6~ 12 h 内，隔日禁食（ADF）指一天自由饮食后一天禁食或少量热量摄入。（@临床营养陈彬林）

减肥手术如何影响小肠细菌来改善代谢？

Molecular Metabolism[IF:7.422]

① 对食源性肥胖小鼠进行VSG手术，与假手术对照相比，VSG手术后小肠上皮样本中的乳杆菌丰度升高，HIF2α靶基因表达升高；② 与高脂且铁含量充足的饮食相比，高脂缺铁的饮食可激活小鼠的HIF2α信号，促进体重减轻，改善糖耐量，并增加十二指肠的乳杆菌属细菌；③ 给高脂喂养的小鼠长期补充含乳杆菌的益生菌，不仅能增强HIF2α信号，还能减少增重和改善糖耐量；④ 在十二指肠类器官中，乳杆菌的主要代谢物乳酸能直接激活肠细胞的HIF2α信号。

Vertical Sleeve Gastrectomy Increases Duodenal Lactobacillus spp. Richness Associated with Activation of Intestinal HIF2α Signaling and Metabolic Benefits
01-06, doi: 10.1016/j.molmet.2022.101432

【主编评语】垂直袖状胃切除术（VSG）能有效治疗肥胖症，有研究表明其疗效与大肠中的菌群变化有关，而小肠菌群的变化和作用尚不清楚。Molecular Metabolism发表的一项小鼠研究，揭示了VSG手术后小肠菌群的变化在改善代谢中的作用。该研究发现，手术后小肠中的乳杆菌属细菌增多，乳杆菌通过生成乳酸，促进了HIF2α信号通路活化，从而改善小鼠的代谢健康。（@mildbreeze）

Cell子刊：减肥手术后的肠道HIF2α激活，促进代谢改善

Cell Reports[IF:9.423]

① 食源性肥胖小鼠中，减肥手术后，十二指肠中调控铁吸收的转录因子HIF2α上调；② 通过饮食补充或遗传操纵来提高铁水平，以及敲除肠道Hif2α，都不影响VSG改善代谢的效果；③ 但特异性敲除肠道Vhl基因（VHL促进HIF2α降解），导致十二指肠HIF2α信号增强，能使小鼠变瘦、改善糖耐受，效果类似VSG；④ 敲除肠道Vhl基因增加了肠道的GLP-1分泌，介导了敲除Vhl带来的代谢益处。

Gut HIF2α signaling is increased after VSG, and gut activation of HIF2α decreases weight, improves glucose, and increases GLP-1 secretion
01-18, doi: 10.1016/j.celrep.2021.110270

【主编评语】垂直袖状胃切除术（VSG）等减肥手术是治疗肥胖症和2型糖尿病的有效方法，但也会降低机体的铁水平。Cell Reports发表的这项研究发现，调控肠道铁吸收的转录因子HIF2α在VSG之后被激活。通过遗传操作增强肠道HIF2α信号，再现了VSG的多种效应。（@mildbreeze）

Cell子刊：肠促胰岛素GLP-1的分泌机制

Cell Reports[IF:9.423]

① 检测到G蛋白偶联受体Gpr17在表达胰高血糖素样肽-1（GLP-1）的人和小鼠肠道上皮内分泌细胞中有表达；② 敲除小鼠肠道中的Gpr17后，小鼠葡萄糖耐量升高、胰岛素释放增加、肠道GLP-1分泌增加，但不影响肠道、胰岛形态及肠道菌群多样性和组成；③ 同样，敲除Gpr17的小鼠肠道类器官中，GLP-1分泌增加；④ 体外模型中，过表达Gpr17 抑制电压依赖钙离子通道并减少环腺苷酸（cAMP）的产生，抑制GLP-1 分泌。

Intestinal Gpr17 deficiency improves glucose metabolism by promoting GLP-1 secretion
01-04, doi: 10.1016/j.celrep.2021.110179

【主编评语】胰高血糖素样肽-1（GLP-1）是一种肠促胰岛素，由表达前胰高血糖素的肠内分泌细胞（L细胞）分泌，并被二肽基肽酶4（DPP4）迅速降解。长效GLP-1类似物和DPP4抑制剂已被开发用于治疗2型糖尿病（T2D）。T2D的潜在替代治疗策略是通过调节内源性GLP-1分泌。然而，参与调节内源性GLP-1分泌的因素和途径仍不完全清楚。发表在Cell Reports上的一项研究证实了G蛋白偶联受体Gpr17介导的信号通路在肠上皮中与GLP-1分泌和糖代谢调节相关的作用，表明肠道Gpr17是糖尿病和肥胖干预的潜在靶点。（@EADGBE）

感谢本期日报的创作者：mildbreeze，拍了花宝贝，aluba，临床营养陈彬林

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