《mLife》丨基于共聚焦荧光成像的单细胞分选测序技术揭示肠道菌群中细菌的分裂模式及种属分类

2023.05.17

2022年9月26日，上海交通大学医学院分子医学研究院杨朝勇教授、王炜副研究员团队应用长光辰英核心产品——S3000超快三维荧光成像系统、PRECI SCS单细胞分选仪在《mLife》期刊上发表了题为“Integrated identification of growth pattern and taxon of bacterium in gut microbiota via confocal fluorescence imaging‐oriented single‐cell sequencing”的论文，文章第一作者为高娟博士和孙迪博士。本研究将共聚焦荧光成像技术与单细胞分选和测序相结合，对共聚焦下呈现特异荧光信息的感兴趣细菌进行直接分选和测序，获得其分类学信息，实现了对复杂细菌样品的“所见即可知”。

一、研究背景

哺乳动物肠道中高度多样化的细菌在影响宿主代谢、免疫、神经行为功能等方面具有重要作用。了解不同肠道细菌在体内的过程和活性，有助于理解微生物功能及其与宿主的相互作用。尽管人们对肠道菌群复杂功能的认识进展迅速，但直接研究单个细胞的体内微生物活性和过程仍然具有挑战性。本研究提出了一种综合策略，联合使用荧光探针标记、共聚焦成像、单细胞分选和测序技术，研究小鼠肠道细菌的分裂模式及种属信息。本研究在单细胞水平上将基因组信息与显微成像观察的表型信息关联，在研究复杂细菌系统方面也具有巨大潜力。

二、研究内容

该研究首先利用能够代谢标记肽聚糖的D型氨基酸荧光探针（FDAA）作为工具，通过使用红绿两种FDAA探针对小鼠进行序贯灌胃，在体标记后获得带有双色荧光的肠道菌群（两种颜色在细菌上的分布可反映其分裂情况）。然后将样品加到带有坐标信息（可进行定位）和特殊涂层（用于激光弹射分选）的芯片上，风干后进行共聚焦成像并记录感兴趣细菌的位置。之后将芯片转移到单细胞分选仪，把相应细菌挑选到无菌管内，破壁后利用MDA进行DNA扩增，用于后续的16S rDNA和全基因组测序分析。作者将这一方法命名为FLCiSS（combining fluorescent probe labeling and confocal imaging with single-cell sorting and sequencing）（图1）。

图1. FLCiSS流程图

本研究为了确定FLCiSS的实用性，首先在人工细菌群落中测试了该方案，该细菌群落包含一株大肠杆菌(K12)和一株枯草芽孢杆菌(CICC 23659)，分别用FADA和Cy5ADA预标记。基于荧光信息，每种细菌分选30个单细胞并进行全基因组扩增和测序。FLCiSS在单细胞水平上鉴定大肠杆菌和枯草芽孢杆菌的成功率分别为73.3%(22/30)和33.3%(10/30)，这与最近单细菌测序研究中报道的一些最佳比率相当。综合这些数据，证明了FLCiSS在提供单个细菌的荧光标记数据和分类鉴定方面的可行性。

图2. FLCiSS模拟细菌群落分析

根据细菌的标记模式和形态共挑选了210个细菌，最终成功鉴定出其中的59个。图3展示了部分细菌的荧光及分选前后的明场图像，包括Anaerotignum属、 Butyricicoccus属和Lachnospiraceae门的3个细菌，其绿色信号分布于两端 (图3A-C)，提示其可能为二分裂细菌；Flavonifractor属的一个细菌，两种信号在两端的分布不对称（图3D），提示其可能刚完成分裂（一端的红色信号来自母细胞septum上的标记）。此外，对一个具有典型分节丝状菌（SFB or
Candidatus arthromitus，图3E）形态的细菌，挑选后测序也鉴定为SFB。