编辑活体小鼠肠道细菌基因《自然》

科学家们设计了一种基因编辑工具，可以改变活体小鼠肠道微生物组中的细菌种群1.

该工具是一种“碱基编辑器”，在小鼠肠道内超过90%的大肠杆菌菌落中修改了靶基因，而调整后的基因不会产生潜在的有害拷贝。“我们梦想能够做到这一点，”合成生物学家泽维尔·杜波特（Xavier Duportet）说，他是巴黎生物技术公司Eligo Bioscience的联合创始人。研究结果今天发表在《自然》杂志上。

一些研究小组试图对小鼠的肠道细菌进行基因调整，但在体内实现这一目标一直具有挑战性。4,3,2.到目前为止，碱基编辑器在不破坏DNA双链的情况下将一个核苷酸碱基与另一个核苷酸碱基交换（例如将A转换为G），未能修饰足够的目标细菌种群以使其有效。这是因为它们在实验室培养的细菌中常见的靶向受体中递送的载体。

创新的输送系统

为了解决这些障碍，Duportet和他的同事们设计了一种使用噬菌体（一种感染细菌的病毒）成分的递送载体，以捕获在肠道环境中表达的几种大肠杆菌受体。该载体携带靶向特定大肠杆菌基因的碱基编辑器。研究人员还改进了该系统，以防止编辑后的基因复制和传播。

该团队将碱基编辑器递送至小鼠体内，并用它来将产生β-内酰胺酶的大肠杆菌基因中的A变为G，这种酶可驱动细菌对几种抗生素的耐药性。在动物接受治疗约八小时后，大约93%的目标细菌被编辑。

然后，研究人员调整了碱基编辑器，使其可以修改大肠杆菌基因，该基因产生一种被认为在几种神经退行性疾病和自身免疫性疾病中起作用的蛋白质。在小鼠接受治疗三周后，编辑细菌的比例徘徊在70%左右。在实验室中，科学家们还可以使用该工具编辑大肠杆菌和肺炎克雷伯菌菌株，它们可能导致肺炎感染。这表明编辑系统可以适应不同的细菌菌株和物种。

这种碱基编辑系统代表了开发可以直接在肠道内修饰细菌的工具的“关键飞跃”，德国维尔茨堡亥姆霍兹RNA感染研究所的化学工程师Chase Beisel说。他补充说，这项研究“开启了编辑微生物以对抗疾病的可能性，同时防止工程DNA的传播”。

Duportet和他的同事们的下一步是开发具有微生物组驱动疾病的小鼠模型，以测量特定的基因编辑是否对他们的健康产生有益影响。

In situ targeted base editing of bacteria in the mouse gut | Nature

近年来，微生物组研究揭示了越来越多的机制，这些机制说明了共生细菌基因的表达如何影响我们的健康。细菌可以影响免疫治疗的成功；细菌蛋白参与神经退行性疾病和自身免疫疾病；细菌毒素可以引发一系列急性和慢性疾病，包括癌症；细菌还可以改变或隔离药物，影响治疗的效果。这一系列不断增长的问题激发了人们对操纵微生物组的兴趣，旨在更好地理解它并开发新的治疗方法。

在这里，我们提出了一种策略，用于对目标细菌群体进行原位、精确和稳定的遗传修饰。在复杂的肠道环境中实现这一目标需要高效的DNA传递和高效的定向突变策略相结合。我们探索了使用源自噬菌体的粒子作为传递载体，结合碱基编辑器使用。碱基编辑器可以在不引入双链DNA断裂的情况下，将靶点的一个碱基对转换成另一个，并且已成功应用于广泛的细菌种类。

一些研已经探索了将CRISPR-Cas系统传递给目标细菌以杀死它们或治愈质粒的想法。这已经通过不同的传递方式实现，包括从供体细菌到目标菌株的质粒接合，将质粒包装进噬菌体衣壳，或将CRISPR-Cas系统添加到噬菌体基因组中。由于其DNA传递效率，噬菌体是一种有吸引力的载体选择。然而，当目标是修改目标群体而不杀死它时，不能轻易使用裂解性噬菌体，但可以使用噬菌体微粒或温性噬菌体来实现这一点。

先前关于将DNA传递到小鼠肠道中的大肠杆菌的研究依赖于M13噬菌体微粒或经过遗传修饰的噬菌体λ。M13使用F菌毛作为受体，这限制了它的范围，M13病毒在通过小鼠胃肠道的过程中被证明是不稳定的。其他研究依赖温性噬菌体λ。当感染大肠杆菌细胞时，λ要么进入裂解周期产生更多病毒粒子，要么进入溶原周期并整合到染色体中，从而能够维持转基因，如I型CRISPR-Cas系统或死Cas9。最近，还已将碱基编辑器引入到噬菌体λ的基因组中。尽管它能够在肠道环境中复制，以前的工作表明λ未能使整个目标群体溶原化。为了提高肠道环境中的递送效率，我们工程改造了多个λ噬菌体尾部的嵌合变体，以针对不同的受体。

原位靶向诱变策略的另一个期望特性是它不应传播转基因。为了实现这一点，我们开发了一种利用噬菌体诱导的染色体岛复制机制的DNA有效载荷。我们的设计确保传递的DNA不会在接收细菌中复制，同时仍允许高效表达碱基编辑器。这种策略使得无需选择压力或维持转基因即可向定植小鼠肠道的大肠杆菌群体引入稳定的遗传扰动。

工程改造的λ递送载体

噬菌体Ur-λ吸附到大肠杆菌细胞上由衣壳的两个主要组分决定。首先，侧面尾纤维（stf）基因编码锚定在底板上的长附器，通过与OmpC外膜孔蛋白的相互作用促进噬菌体对目标细菌的可逆吸附。这些侧尾纤维在实验室株系噬菌体λ（λPaPa）中丢失，但已知对有效吸附很重要。第二，尾尖蛋白gpJ识别LamB外膜孔蛋白，导致噬菌体不可逆地结合到细胞表面。