单细胞技术加持,扩增子测序重回高大上| 一区微生物多组学研究新思路!

文摘   科学   2024-11-13 08:01   内蒙古  


俗称“万金油”的扩增子技术已经再难发出好文章了?实则不然!关联高端霸气上档次的单细胞转录组技术,扩增子研究依旧可以焕发新生机,重回高大上。



近日,檀国大学在《communications biology》上最新发表的文章打破了传统微生物组分析的界限,利用16s扩增子和单细胞转录组测序技术,在获取肠道微生物群落结构的同时,从单细胞层面挖掘了UC病患的异质性和复杂性,为UC宿主细胞与肠道微生物之间的复杂互作研究提供了新视角。

发表期刊:communications biology                         
影响因子:5.2
研究对象:小鼠肠道组织       
发表时间:2024年6月

实验设计


本研究分别构建了急性结肠炎(AC)和慢性结肠炎(CC)小鼠模型,具体构建过程如下:

图 小鼠模型构建过程

图 研究思路

实验结果


1、UC会导致结肠中上皮屏障被破坏

与对照小鼠相比,患病小鼠的结肠的上皮细胞受到破坏(图1 a-d)。单细胞转录组测序分析识别了7个不同的细胞簇(图1 e)。AC中上皮细胞数量显著减少,在CC中有部分恢复,并且AC中上皮细胞屏障相关基因的表达显著下降,在CC中同样有所回升(图1 f-g)。

图1 UC样本上皮细胞的单细胞转录组测序分析
2、UC会导致细胞间相互作用发生改变

健康对照(HC)小鼠细胞间的相互作用相对平衡,AC中成纤维细胞和上皮细胞之间的相互作用明显减少,免疫细胞之间的相互作用增加,特别是巨噬细胞的趋化因子与 B 细胞、T细胞和成纤维细胞中的趋化因子受体之间的相互作用显著增加(图2 a-c)。CC中巨噬细胞和上皮细胞之间的相互作用增多,并且上皮细胞和成纤维细胞之间的相互作用恢复(图2 a、d)。

图2  UC样本中的细胞间相互作用

3、不同程度UC样本的炎症巨噬细胞群体变化

通过巨噬细胞的单细胞转录组分析结果可知, AC中巨噬细胞的趋化因子和细胞因子表现出增加的趋势,但增加程度略低于CC(图3 a-c)。与HC相比,AC和CC中的Il1b基因和IL-1β蛋白均上调(图3 d-e)。对巨噬细胞中的差异基因进行了GO分析,结果显示UC样本中炎症相关靶点增加(图3 f)。

图3  结肠的髓系细胞亚群分析
4、eNAMPT与NOX2过表达会加剧结肠炎病情

对可在调节炎症反应中发挥潜在作用的eNAMPT与NOX2复合体进行了深入研究(图4 a)。eNampt的表达在AC和CC中均表现出增加,Western blot分析证实了患病小鼠的巨噬细胞和结肠组织裂解物中UC相关蛋白表达均升高(图4 b-d)。并且CC中与炎症激活相关的基因表达水平显著增加。

图4 eNAMPT与NOX2复合体在UC样本中的关联作用
5、UC会导致肠道微生物群出现变化

通过16s扩增子测序分析肠道的微生物组成。与HC相比,CC中的肠道微生物多样性的普遍降低(图5 a-d)。HC的优势菌群是乳酸杆菌科,但在AC中该科显著减少。通过PICRUSt2对微生物功能进行分析,结果显示CC中的菌群失调会诱导许多炎症相关的代谢途径(图5 e-g)。

图5 UC样本的微生物群落分析
6、T细胞分化与结肠炎的患病程度有关

对UC状态下T细胞亚群的进行了UMAP聚类分析,在CC中观察到了差异极化的CD4 + T细胞(图6 a)。将患病小鼠与人类的 CD4 + T细胞亚群比例进行比较,可以在人类的患病样本中观察到类似的趋势(图6 b-c)。此外,Treg和Th17之间的不平衡会加速慢性UC的进展 (图6 d-e)。

图6  UC样本的T细胞亚群分析

研究结论

本研究将16s扩增子和单细胞转录组测序技术相结合,深入分析了UC致病的分子机制,揭示了在UC发展过程中关键的分子和细胞变化,为相关疾病的治疗策略开发提供了潜在方向。
本研究打破了微生态研究的传统限制,与单细胞转录组进行跨界组合,让微生物不再拘泥于与基因(转录组)、表型(代谢组)等进行联系,还能与宿主细胞建立关联,从而完成“肠道微生物-宿主疾病”模型的构建。

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参考文献


Hong, D., Kim, H.K., Yang, W. et al. Integrative analysis of single-cell RNA-seq and gut microbiome metabarcoding data elucidates macrophage dysfunction in mice with DSS-induced ulcerative colitis. Commun Biol 7, 731 (2024).

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