空间宏基因组学为宿主-微生物互作提供新思路

空间转录组学技术的进步极大地提高了对真核基因在动植物组织中的表达机制的认识。空间变异在宿主-微生物相互作用中也很突出，然而，当前对微生物特性和宿主反应的综合空间解析尚少，现有技术还不能同时解析宿主和大量微生物之间的空间相互作用。
近日，Nature Biotechnology背靠背刊发了两篇非靶向的空间宏基因组方法（SHM-seq和SmT），分别由瑞典皇家理工学院和Broad研究所的学者完成，对载玻片探针进行修饰，使得玻片在捕获真核宿主转录本的基础上，还可以进行原核微生物和真核微生物的扩增子测序，以同时获得宿主基因的空间表达及其共生微生物的群落分布。并分别在两个典型的宿主-微生物共生环境（小鼠肠道和拟南芥叶片）中验证了两种空间宏基因组技术对揭示宿主-微生物互作关系的作用。

SHM-seq

文章标题：Spatial host–microbiome sequencing reveals niches in the mouse gut

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41587-023-01988-1

SHM-seq首先在固相空间转录组学载玻片上对空间barcode进行酶修饰，通过杂交和延伸反应，实现同时捕获polyA转录本(~50%表面捕获探针)和16S rRNA的高可变(V4)区域(~50%表面捕获探针)。然后，将冷冻组织切片放置在载玻片表面，用苏木精和伊红(H&E)进行染色，并用明场显微镜进行组织成像。成像后，对细胞进行透化，允许在玻片上捕获宿主polyA转录本和细菌16S序列。最终通过Illumina测序实现对宿主转录本和细菌物种直接进行空间编码。文章还设计了一个新的分类鉴定流程来处理空间微生物组数据，包含数据库定制和基于深度学习模型的分类鉴定方法。相较于传统的16S分析工具Kraken2或QIIME 2，深度学习模型提升了分类鉴定的表现及性能。

通过与常规16S rRNA测序、FISH及传统空间转录组比较，SHM-seq捕获微生物的特异性及敏感性、以及宿主基因的空间表达谱具有可比性。未来的研究可以改变空间转录组芯片表面捕获探针的数量和序列，以进一步调整细菌比宿主转录本的回收率，或引入其他用户自定义的捕获片段。此外，SHM-seq未来还可以通过修改捕获序列和文库制备流程来获取更精细的细菌分类水平。本文将SHM-seq应用于生长于典型条件下(SPF)、无菌(GF)和定植Schaedler菌群(ASF)的C57BL/6小鼠的结肠横截面，共获得了124个组织切片、15321个spots的宿主基因表达及微生物丰度数据。研究通过分析宿主基因的表达谱与对应的微生物种群丰度，确定了切片上受微生物种群的空间分布影响的宿主基因空间表达程序，这些种群显示出不同的、与小鼠条件相关的动力学，并且可能依赖于共生细菌的存在及影响宿主-细菌的相互作用。

SHM-seq为未来的工作和大规模研究的详查铺平了道路，旨在比较动物模型和人类患者的纵向或横向取样。这种分析可以扩大对宿主和微生物组之间关系的理解，并有助于更好地理解稳态维持或慢性炎症发作和持续的机制。因此，SHM-seq有助于更好地理解屏障和粘膜组织中环境和微生物组驱动的空间异质性。

SmT

文章标题：Spatial metatranscriptomics resolves host–bacteria–fungi interactomes

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41587-023-01979-2

SmT在捕获探针中引入了第三种模式。首先，设计包含两个简并探针(P799和P902)和poly-d(T)探针的捕获玻片，能够同时在拟南芥叶片中捕获来自细菌和古细菌的16S rRNA高变区及宿主mRNA，探针混合比例如下：50% poly-d(T); 25% P799和25% P902。然后，本文设计了真菌专用的18S rRNA/ITS探针，并在单独捕获阵列和多模态捕获阵列中测试了它们的性能。多模态捕获阵列包含所有三种探针类型（10% poly-d(T)、45% 16S rRNA和45%18S rRNA/ITS）。结果表明，多模态阵列能够准确地同时捕获宿主转录组、细菌谱和真菌谱，并保留它们的空间位置。通过与16S扩增子测序数据进行比较，发现SmT比扩增子测序具有更高的捕获敏感性。

将SmT应用于拟南芥叶片，发现在拟南芥叶片中微生物集中于微生物热点而不是均匀分布。在细菌与真菌共享的热点中，共享热点的相对丰度与细菌-真菌相互作用存在正相关关系。这意味着微生物的相互作用是由它们的空间组织驱动的，特别是它们在共享热点的存在。此外，文章还通过机器学习的方法将宿主基因的表达模式与微生物丰度联合分析，发现与植物免疫反应相关的基因的表达模式受到微生物分布的显著影响，揭示了叶片内微生物的空间组织与宿主表达特征之间的联系。

总之，SmT的通用性预示着它可能应用于许多其他组织类型，从植物到动物，在这些物种中微生物定殖的局部差异是健康或疾病的重要决定因素。

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