Cell Rep:利用装载CRISPR的病毒来感染肠道菌群或能阐明微生物组基因编辑的潜能

对人类微生物组在疾病易感性和疾病疗法中作用机理的研究,由于缺乏从复杂群体中精确添加或移除微生物菌株或基因的方法而受到了一定的限制。

对人类微生物组在疾病易感性和疾病疗法中作用机理的研究,由于缺乏从复杂群体中精确添加或移除微生物菌株或基因的方法而受到了一定的限制。

近日,一篇发表在国际杂志Cell Reports上题为“Phage-delivered CRISPR-Cas9 for strain-specific depletion and genomic deletions in the gut microbiome”的研究报告中,来自加利福尼亚大学等机构的科学家们通过研究成功利用DNA编辑系统—CRISPR改变了生活在哺乳动物肠道中细菌的基因组,这一进展或代表了科学家们理解微生物组的研究进展,最终有望帮助开发治疗肠道相关疾病的新型疗法。

Cell Rep:利用装载CRISPR的病毒来感染肠道菌群或能阐明微生物组基因编辑的潜能

大肠杆菌示意图。

图片来源:University of California, San Francisco

在这篇具有里程碑意义的研究中,研究人员从生活在小鼠肠道中的大肠埃希氏菌中移除了大块的基因,同时还改变了其消化系统中细菌群落的整体组成;研究者Peter Turnbaugh博士指出,我们已经证明了能在哺乳动物的肠道微生物组中进行首个稳定的基因编辑,而这或许是尝试对肠道内细菌进行工程化改造的起点。

目前想要改变肠道微生物组的研究人员的选择非常有限,比如,细菌性食物中毒和类似的问题都能利用广谱抗生素来处理,但这种药物同时也会杀灭有益的微生物;同时粪便移植也被用于在遭受特定感染或胃肠道疾病的患者机体中重新培育出健康的微生物群落;但临床医生并不能确定所引入的微生物是否能取代患者机体当前的细菌群落,这意味着患者的治疗或许并不会总是成功。研究者Turnbaugh说道,修饰已经在消化系统中繁殖的细菌或许是未来研究和治疗微生物组相关健康问题的一种关键方法,直接改变肠道中的微生物基因组将为微生物组的治疗引入到了一个尚未实现的精确水平下。

能够改变肠道中已经存在的微生物DNA或许能让研究人员以一种比此前更加可控的方式来研究微生物组,其或许也能提供一个机会来询问关于健康和疾病相关的重要问题。研究者Turnbaugh重点对大肠埃希氏菌进行了研究,其是一种天然存在于肠道中的细菌,但某些毒株会因引发食物中毒而名声不好。在肠道微生物组中进行精确的基因编辑的一个有用的应用或许就是针对无害的大肠埃希氏菌,同时还会不干扰有益的菌株。这项研究中,研究人员想知道是否听他们能利用基因编辑工具来靶向作用并杀灭大肠埃希氏菌,并让另一种菌株不受影响;研究者使用了一种名为M13的病毒来将CRISPR-Cas9基因编辑系统注射到大肠埃希氏菌细胞中,并在细胞内工作从而切断DNA片段。

Cell Rep:利用装载CRISPR的病毒来感染肠道菌群或能阐明微生物组基因编辑的潜能

图片来源:https://www.cell.com/cell-reports/fulltext/S2211-1247(21)01403-0?_returnURL=https%3A%2F%2Flinkinghub.elsevier.com%2Fretrieve%2Fpii%2FS2211124721014030%3Fshowall%3Dtrue

相关的研究结果具有一定的戏剧性,在引入CRISPR-Cas9系统之前,靶向性菌株在实验室小鼠中收集的粪便中尤为突出,然而进行基因编辑后,靶向性菌株则会很快消失;两周后,其仅占到了所监测的细胞群的百分之一的比例。本文研究成功的一个关键在于研究人员使用了一种工程化的M13,其在自然状况下能攻击大肠埃希氏菌但并不能在消化系统中很好地生存。为了解决这一问题,研究人员将一种抗生素耐药基因拼接到了DNA上,并能让M13病毒很好对运输到细胞中,从而使得病毒和其所携带的CRISPR-Cas9系统能更容易地传播扩散。

研究人员设想,未来有一天他们或能利用类似的方法来促进人类机体中有益肠道菌群的生长;比如,如果研究人员在特定细菌中编辑基因来使得细菌能以罕见的营养物质为食,那么一个人仅需要在其饮食中加入大量的这些营养物,就能对其肠道中不断发展的微生物混合体产生一些控制;首先,研究人员需要扩展其工具包中的病毒清单,并通过实验来揭示如何通过改变个体机体的微生物组来影响整体的细菌群落。

研究者Turnbaugh表示,我们的梦想就是可以选择肠道中的哪些特定菌株,或者仅含有个别的基因,你想促进其表达或移除其表达;我们对能在大肠埃希氏菌中推动这一进程感到非常兴奋,同时也希望其能为肠道微生物的其它成员带来类似的研究工具。综上,本文研究结果为微生物组的编辑提供了一种强大的实验上可操作的平台,并未完善这种方法来增加靶向作用的效率奠定了基础。

原始出处:

Kathy N. Lam,Peter Spanogiannopoulos,Paola Soto-Perez,et al. Phage-delivered CRISPR-Cas9 for strain-specific depletion and genomic deletions in the gut microbiome, Cell Reports (2021). DOI:10.1016/j.celrep.2021.109930

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