本網(wǎng)訊 近日，我校植物保護(hù)學(xué)院劉威教授團(tuán)隊(duì)在國(guó)際著名生物學(xué)綜合期刊《eLife》（中科院1區(qū)）上正式刊登題為《Hosts Manipulate Lifestyle Switch and Pathogenicity Heterogeneity of Opportunistic Pathogens in the Single-cell Resolution》的研究性論文，報(bào)道了宿主作為重要因素可調(diào)控病原菌生活方式，并在單細(xì)胞水平上解析宿主調(diào)控病原菌毒力異質(zhì)性的新機(jī)制，從而為人類(lèi)精準(zhǔn)防控病原菌提供理論基礎(chǔ)。
從昆蟲(chóng)到人類(lèi)，所有的后生動(dòng)物體內(nèi)和體外生存著大量的共生菌。這些共生菌對(duì)宿主生理和病理中發(fā)揮著關(guān)鍵調(diào)控作用，也是現(xiàn)有的大多數(shù)研究主要的方向。事實(shí)上，宿主與共生菌的相互作用實(shí)際上是雙向的，然而對(duì)二者互作的另一面：宿主調(diào)控共生菌生理和行為的科學(xué)問(wèn)題卻鮮有研究。針對(duì)上面的問(wèn)題，劉威教授團(tuán)隊(duì)利用還原主義方法，以果蠅作為宿主模型，選擇粘質(zhì)沙雷氏菌作為代表性病原菌，通過(guò)構(gòu)建無(wú)菌和悉生動(dòng)物（圖1A），系統(tǒng)地研究了宿主調(diào)控病原菌生活方式表型。本研究發(fā)現(xiàn)，宿主顯著地降低病原菌的載菌量，減弱毒力基因表達(dá)，改變細(xì)胞包被形態(tài)結(jié)構(gòu)，從而迫使其生活方式從致病性轉(zhuǎn)向共生(圖1B-D)。接著，該研究利用混池轉(zhuǎn)錄組（bulk RNA-seq）和代謝組技術(shù)，進(jìn)一步解析宿主重塑粘質(zhì)沙雷氏菌的轉(zhuǎn)錄譜和代謝譜(圖1E和F)，包括ABC轉(zhuǎn)運(yùn)、群體感應(yīng)和外分泌等路徑被宿主顯著地降低。幼蟲(chóng)編碼著多種抗菌肽，具有廣譜抗菌活性的多肽類(lèi)物質(zhì)。最終，利用經(jīng)典遺傳學(xué)方法，鑒定也確認(rèn)抗菌肽是調(diào)控粘質(zhì)沙雷氏菌生活方式的關(guān)鍵宿主因素。
圖 1 宿主調(diào)節(jié)病原菌從致病性向共生態(tài)轉(zhuǎn)變
自然界微生物種群通常聚集在幾十微米空間范圍內(nèi)，會(huì)形成勞動(dòng)分工與合作，從而分化為表型異質(zhì)性亞群（圖2A，源于網(wǎng)絡(luò)），以應(yīng)對(duì)環(huán)境的快速變化，也是病原菌產(chǎn)生抗性重要原因之一。傳統(tǒng)的研究微生物方法僅僅停留在于群體平均水平，不能揭示微生物個(gè)體間異質(zhì)性。單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測(cè)序技術(shù)可以揭示出個(gè)體細(xì)胞間差異，并在真核細(xì)胞內(nèi)被成功地利用，但是在細(xì)菌內(nèi)遭遇了技術(shù)阻礙，進(jìn)展緩慢，因?yàn)榧?xì)菌裂解難度大、mRNA缺少polyA尾巴和mRNA豐度低等。與我們合作的浙江大學(xué)王永成團(tuán)隊(duì)研發(fā)出基于液滴高通量細(xì)菌單細(xì)胞RNA-seq方法成功地解決了上述問(wèn)題。我們團(tuán)隊(duì)與王永成團(tuán)隊(duì)和湖南大學(xué)王奕蓉團(tuán)隊(duì)開(kāi)展合作，率先利用了這項(xiàng)新技術(shù)，首次解析出果蠅調(diào)控病原粘質(zhì)沙雷氏菌的轉(zhuǎn)錄異質(zhì)性?；虮磉_(dá)譜聚類(lèi)可視化分析顯示，細(xì)菌細(xì)胞群體傾向于形成三個(gè)不同亞群(圖2B)，同時(shí)細(xì)胞表達(dá)譜分組算法將整個(gè)群體進(jìn)一步劃分為7個(gè)亞群(圖2C)。我們鑒定與致病性相關(guān)差異基因，并對(duì)每個(gè)聚類(lèi)中標(biāo)記基因進(jìn)行對(duì)應(yīng)排序（圖2D），并在二維空間中繪制出代表性基因livI在每個(gè)細(xì)菌細(xì)胞中特征表達(dá)（圖2E-F）。利用類(lèi)似方法，我們解析了共生態(tài)粘質(zhì)沙雷氏菌增殖異質(zhì)性，并且依賴(lài)于細(xì)胞內(nèi)的碳氮代謝（圖2G）。本研究成果獲得了審稿人高度評(píng)價(jià)，認(rèn)為本研究獨(dú)辟蹊徑解析了宿主與共生菌之間互作另一面，并且利用新技術(shù)解析了病原菌致病異質(zhì)性及宿主對(duì)其重要影響，加深了宿主與共生菌互作機(jī)制的認(rèn)知，同時(shí)為防控病原菌提供了一定借鑒。
圖 2 宿主調(diào)控粘質(zhì)沙雷氏菌致病異質(zhì)性
安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)為第一通訊單位，聯(lián)合湖南大學(xué)、浙江大學(xué)、新加坡國(guó)立神經(jīng)科學(xué)研究所等參與單位，碩士生王子光和博士生李帥為論文共同第一作者，我校劉威教授為該論文最后通訊作者，湖南大學(xué)王奕蓉教授和浙江大學(xué)王永成教授為論文共同通訊作者。本研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、安徽省自然科學(xué)基金、資源昆蟲(chóng)生物學(xué)與創(chuàng)新利用安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和安農(nóng)大高層次人才引進(jìn)經(jīng)費(fèi)等項(xiàng)目的資助。(文圖/劉威 編輯/丁放 預(yù)審/唐慶峰 審核/夏曉昀)
原文鏈接：https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39190452/
