原位宿主-微生物的空間代謝組學(xué)微米尺度的相互作用

代謝組學(xué)文獻分享，幾乎每個生物樣本·都有共生菌，你想知道哪些代謝物在菌和宿主間起了作用嗎？

質(zhì)譜成像技術(shù)（mass spectrometry imaging, MSI）結(jié)合質(zhì)譜分析和影像可視化，憑借其樣本處理簡單、能反應(yīng)多種分子在空間上的分布及分子結(jié)構(gòu)信息而受到高度的關(guān)注�？臻g代謝組學(xué)描述了自然界中參與代謝表型，防御分子和化學(xué)相互作用的小分子的位置和化學(xué)性質(zhì)。代謝組學(xué)文獻分享，當前大多數(shù)技術(shù)無法將宿主與微生物相互作用在空間上顯示出來。

在這里，我們介紹了一個空間代謝組學(xué)研究方式（metaFISH），它結(jié)合了熒光原位雜交（FISH）顯微鏡技術(shù)和高分辨率大氣壓基質(zhì)輔助激光解吸/電離質(zhì)譜技術(shù)來成像宿主-微生物共生體及其代謝相互作用。

樣本：組織切片后的腐爛芽孢桿菌標本

圖1

AP-MALDI-MSI和FISH在同一組織中的應(yīng)用可改善空間代謝組學(xué)微生物學(xué)，可共同鑒定代謝物、宿主與微生物相互作用相關(guān)的系統(tǒng)表型（圖1a）。為了分析相關(guān)的熒光和代謝物圖像，我們開發(fā)了一種基于FISH的空間代謝組別方法，命名為metaFISH。代謝組學(xué)文獻分享，我們的metaFISH包含以下三個模塊：（1）示例準備和成像（圖1a，b）；（2）相關(guān)處理成像數(shù)據(jù)（圖1c-f）；（3）使用熒光信號將代謝物分組（圖1g和2c）。我們的檢測提供相關(guān)值（metaFISH比率）表明哪些代謝產(chǎn)物來自宿主或共生菌的那些部位。我們使用這些宿主和共生體分配值來解釋通過分子網(wǎng)絡(luò)可視化的化學(xué)空間并指導(dǎo)液相色譜與串聯(lián)質(zhì)譜（LC–MS / MS）測量以驗證AP-MALDI-MSI數(shù)據(jù)中注釋的代謝物（圖1g，h）。
 

圖2

絲長區(qū)域覆蓋品紅色的MOX（共生細胞），黃色的SOX（間細胞）和青色的宿主核的DNA染色的FISH圖像，使用AP-MALDI-MSI成像的三種不同分布的代謝物的疊加熱圖。代謝組學(xué)文獻分享，品紅，35-氨基細菌膽堿-32,33,34-三醇（ABHTr）；黃色，膦�；�乙醇胺神經(jīng)酰胺PnE-Cer（34：2）；青色，磷脂酰膽堿PC（32：1）（圖2b–f），像素大小為3μm的高分辨率AP-MALDI-MSI無法更小尺度的解析細菌細胞（〜1μm），但可以區(qū)分相同的宿主（圖2j–o）和共生體（圖2p–r）代謝物細菌細胞。 由于較低MSI分辨率上限為3μm，我們無法從統(tǒng)計學(xué)上分離兩種共生系統(tǒng)型的亞細胞代謝組。然而，使用FISH顯微鏡，我們可以可視化系統(tǒng)型組成每個細菌細胞群落的組成，并解釋共享的宿主及其內(nèi)共生體的代謝組（圖2d–r）。

圖3

代謝物檢測了有細菌和無細菌的組織區(qū)域。代謝組學(xué)文獻分享，metaFISH揭示了代謝組的空間劃分進入細菌定殖和無細菌的亞代謝產(chǎn)物組織。我們對所有分子分布進行了分組將（圖2g）分為七個具有不同生化特征的簇（圖3a，d）。根據(jù)對齊的成像數(shù)據(jù)集，我們通過計算代謝物豐度，面積和重疊的熒光信號強度和面積MF比率作為指標簇是否與無細菌組織或含有共生細菌（圖3b）。我們使用了基于灰度值的圖像分割描繪宿主和共生體的明場和熒光顯微鏡信號。我們的metaFISH分析發(fā)現(xiàn)了三個與宿主相關(guān)的（MF比率<1）和四個與共生體相關(guān)的（MF比率> 1）亞代謝物。

圖4

我們發(fā)現(xiàn)氨基細菌膽堿-三醇和氨基細菌類四萜（圖4b–d），盡管它們之間的化學(xué)差異很小，只有一個羥基。代謝組學(xué)文獻分享，兩種類胡蘿卜素均散布分布，氨基細菌類戊四醇位于外邊緣，而氨基細菌類三醇三醇集中在中心的單個細菌細胞中（圖4b-d）。已知微生物群落會在不同梯度的含氧量上改變其類胡蘿卜素組成。因此，從邊緣到中心，兩個類的相對豐度（圖4e）的逐漸變化可能反映了細胞內(nèi)MOX共生體對這種微觀梯度的表型適應(yīng)。利用我們的相關(guān)成像技術(shù)，我們可以顯示單個共生系統(tǒng)型表達了不同的類型表型，并且這些表型在組織內(nèi)顯示出不同的代謝分布。因此metaFISH可以檢測生物標志物分子分布中表型異質(zhì)性的存在。

參考文獻：

Spatial metabolomics of in situ host-microbe interactions at the micrometre scale.Benedikt Geier，et al. Nat Microbiol 2020 Mar;5(3).