登上Cell子刊封面：復(fù)旦大學(xué)賈慧玨團(tuán)隊(duì)開發(fā)微生物原位單細(xì)胞組學(xué)新技術(shù)

撰文丨王聰

編輯丨王多魚

排版丨水成文

宏基因組學(xué)（Metagenomics）的發(fā)展，使我們能夠解析不同環(huán)境中的微生物組成及其功能潛能。

近日，復(fù)旦大學(xué)賈慧玨作為共同通訊作者（復(fù)旦大學(xué)藍(lán)希紅、梁橋星及廣州醫(yī)科大學(xué)附屬番禺中心醫(yī)院何金花為論文共同第一作者）在 Cell 子刊Cell Genomics上發(fā)表了題為：Microbial single-cell omics in situ 的研究論文 。

該研究在人體共生微生物組學(xué)方向，將宏基因組首次推進(jìn)到微生物單細(xì)胞組學(xué)，利用激光誘導(dǎo)前沿轉(zhuǎn)移（Laser-induced forward transfer，LIFT）技術(shù)，成功從小鼠腸道、人類唾液及腫瘤組織切片等復(fù)雜樣本中獲取了高質(zhì)量的微生物單細(xì)胞基因組與轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)。

封面圖片展示了一個(gè)原生群落中的多種微生物，兩簇藍(lán)色線條代表細(xì)菌基因組，兩條米色曲線代表細(xì)菌轉(zhuǎn)錄組。在這項(xiàng)研究中，研究團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種基于激光的微生物單細(xì)胞方法，該方法可以從復(fù)雜樣本中獲取高質(zhì)量的基因組或轉(zhuǎn)錄組，同時(shí)保留細(xì)胞的空間信息和圖像。

哺乳動物細(xì)胞的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組分析正在幫助我們了解組織內(nèi)的細(xì)胞類型，而最近，空間組學(xué)技術(shù)進(jìn)一步推動了這些見解的發(fā)展。由于細(xì)菌細(xì)胞中的核酸濃度比真核生物低很多倍，且缺乏用于 mRNA 擴(kuò)增的長 poly(A) 尾，因此，對細(xì)菌細(xì)胞進(jìn)行單細(xì)胞組學(xué)研究更具挑戰(zhàn)性。此外，液滴微流控技術(shù)的泊松分布降低了有效包含單個(gè)細(xì)胞的液滴數(shù)量，尤其是在需要液滴融合的情況下。海洋藍(lán)細(xì)菌是最早使用單細(xì)胞基因組進(jìn)行分析的細(xì)菌之一。來自極端環(huán)境的微生物單細(xì)胞基因組揭示了未培養(yǎng)細(xì)菌和古菌的基因組特征。除了低多樣性群落外，微生物單細(xì)胞研究大多在模式生物（例如大腸桿菌）中進(jìn)行，并使用靶向方法分析基因組或轉(zhuǎn)錄組。

激光誘導(dǎo)前沿轉(zhuǎn)移（Laser-induced forward transfer，LIFT）是一種操控微粒（包括細(xì)胞）的簡便方法。通過利用激光束蒸發(fā)或使薄金屬涂層發(fā)生形變，LIFT 技術(shù)非常適用于捕獲細(xì)菌尺寸范圍內(nèi)的微粒（例如，典型的大腸桿菌細(xì)胞尺寸為 2×0.5 微米）。可將熒光或同位素標(biāo)記與 LIFT 技術(shù)結(jié)合使用，以輔助細(xì)胞篩選。該方法對復(fù)雜樣本的前處理要求極低，因此有可能耐受人類微生物組中常見的干擾物（例如食物顆粒和細(xì)胞碎片），而這些干擾物可能會影響基于液滴微流控技術(shù)的分析結(jié)果。

對低生物量原核環(huán)境（例如腫瘤和胎盤）的宏基因組分析成本高昂且存在爭議。因此，采用直接方法來表征由超過99.9%宿主序列組成的組織內(nèi)的微生物，能夠?yàn)榇嬖谟诙嗉?xì)胞真核宿主內(nèi)的細(xì)菌或其他微生物細(xì)胞提供相關(guān)信息。

在這項(xiàng)最新研究中，研究團(tuán)隊(duì)提出了一種利用市售光學(xué)設(shè)備進(jìn)行微生物單細(xì)胞基因組和轉(zhuǎn)錄組測序的方法，并驗(yàn)證了該方法在多種場景下的實(shí)用性——從純培養(yǎng)物的單細(xì)胞異質(zhì)性研究，到復(fù)雜宿主微生物組樣本及組織切片分析。

具體來，研究團(tuán)隊(duì)利用激光誘導(dǎo)前沿轉(zhuǎn)移（LIFT）技術(shù)，成功從小鼠腸道、人類唾液及腫瘤組織切片等復(fù)雜樣本中獲取了高質(zhì)量的微生物單細(xì)胞基因組與轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)。

該單細(xì)胞方法可直接分析空間位置相鄰的細(xì)菌細(xì)胞或細(xì)菌與宿主細(xì)胞的相互作用。通過對小鼠及人類樣本中的細(xì)菌細(xì)胞進(jìn)行熒光標(biāo)記，實(shí)現(xiàn)了單細(xì)胞水平的可視化精準(zhǔn)捕獲。高質(zhì)量的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組結(jié)果能夠解析芽孢桿菌的孢子形成過程中的細(xì)胞命運(yùn)決定，并從一個(gè)結(jié)直腸癌樣本中分離出一個(gè)擬桿菌單細(xì)胞，對對其基因表達(dá)進(jìn)行了初步表征，發(fā)現(xiàn)其表達(dá)的 nicX 基因參與尼古丁降解，提示了該細(xì)菌可能在吸煙者的腸道微環(huán)境中發(fā)揮作用。

總的來說，該方法具有可擴(kuò)展性強(qiáng)、精度高的特點(diǎn)，為深入研究微生物群體及其與宿主的單細(xì)胞互作機(jī)制提供了強(qiáng)大工具。

論文鏈接：

https://www.cell.com/cell-genomics/fulltext/S2666-979X(25)00384-2