Nat Chem Biol | 刘锦涛课题组开发空间转录组新方法并揭示细菌群体代谢交互模式

基因表达的异质性在生物群体中普遍存在，并促进了个体的多样状。细菌群体常形成致密的空间结构，使得群体内的局部微环境产生显著的空间差异，并导致细菌群体在基因表达层面的空间异质性。这种空间异质性能够介导跨区域的相互作用，从而衍生出复杂的群体特性，并帮助细菌群体应对多变的外界环境和压力。

目前虽有不少工作探讨少数基因在细菌群体中的空间表达，但仍缺乏全基因组层面的系统性研究。这阻碍了我们对细菌群体行为及其生理特性的深入理解。究其原因是缺乏刻画细菌群体基因表达空间异质性的技术和分析方法。

2023年4月13日，清华大学医学院传染病研究中心的刘锦涛课题组在Nature Chemical Biology杂志上发表了题为 Spatial transcriptome uncovers rich coordination of metabolism in E. coli K12 biofilm  (细菌生物被膜的空间转录组揭示了其内部丰富的代谢协调行为)  的研究论文。 该工作开发了独特的空间转录组方法RAINBOW-Seq，首次刻画了细菌群体在微观空间尺度全基因组水平的基因表达异质性，并通过系统分析及实验揭示了细菌群体不同空间区域间的代谢物交互及其生理意义。

具体地，研究者们基于实验室自主研发的微流控系统 （Zhang et al., Small Science 2: 2200047, 2022） 培养了大肠杆菌K12株的生物膜，利用生长特异性荧光小分子实现了对生物膜的空间差异性标记，结合机器学习和流式细胞分选对生物膜进行了高空间分辨率的分选，然后使用自主开发的微量细菌转录组建库方法 （Wang et al., Environmental Microbiology 24:5774, 2022） 构建了生物膜空间转录组文库，最后通过二代测序获得了生物膜的空间转录组信息。

图1. 生物膜空间转录组刻画方法RAINBOW-Seq技术路线

通过对空间转录组的分析，研究者们发现许多代谢产物的转运蛋白在生物膜中的表达被显著激活，并且不同的转运蛋白具有不同的空间表达特征。这预示了生物膜内可能存在跨区域的代谢物交换。

为了进一步揭示代谢物以何种方式进行空间交互，研究者们分析了主要代谢物的合成及降解通路的空间表达，发现了三种空间交互模式：（1）跨区域营养供给，生物膜外围区域的细菌释放精氨酸提供给营养匮乏的内部区域；（2）跨区域信号反馈，生物膜内部不仅能够将来自外围的精氨酸作为营养物质，还可以将其分解为多胺反馈给生物膜外围，从而影响生物膜外围的生长和对群体结构的维持。（3）局域内循环，核苷酸和色氨酸的合成展示出单细胞水平的异质性和分工。通过上述空间交互，生物膜中营养匮乏的区域维持了较高的代谢活性，得以表达信号传导和群体相关功能的基因。

图2. 基于空间转录组发现的生物膜内部代谢协调行为

以上工作 揭示了细菌群体内空间交互的复杂性和多样性，深化了对细菌生理特性的理解 。同时，该研究还提出了研究细菌的新模式，即通过系统分析基因表达的空间异质性揭示细菌的群体特性。

刘锦涛课题组的博士后王天民和博士生沈平为该论文的共同第一作者，刘锦涛研究员为通讯作者，何轶慧同学和张玉针博士也为该工作做出了重要贡献。王天民博士将于5月入职上海科技大学生命科学与技术学院，作为助理教授开展独立研究。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41589-023-01282-w

制版人：十一

‍

转载须知

【非原创文章】本文著作权归文章作者所有，欢迎个人转发分享，未经作者的允许禁止转载，作者拥有所有法定权利，违者必究。