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单细胞测序探究细胞间的相互作用2021-09-28 09:29:45

对微生物而言,每个细胞都是一个完整的遗传个体,包含了自身染色体、质粒、细胞器、病毒和其他内共生体的全部遗传信息。单细胞基因组学可以无差别地获得细胞内包含的所有遗传物质,从而在染色体 DNA 和其他遗传信息之间建立联系。近五年的研究表明噬菌体与 30 多种细菌或古菌有关;还发现了一些能感染真核细胞的巨病毒。

2011年,Yoon等在从海洋中分离出的单细胞中检测到了内生菌和病毒的遗传信息,揭示了单个细胞间的相互作用 ;于 2014年,Roux等结合单细胞测序和宏基因组测序取得了 127 个不可培养细菌的单细胞扩增基因组发现,SUP05病毒会使其宿主的能量代谢重构;2019年,Martinez-Hernandez等发现远洋杆菌是海洋中数量极其丰富但未经培养的37-F6 病毒的宿主Labonte 等使用单细胞基因组学研究了扩散流、低温热液喷口中噬菌体与宿主的相互作用,结果表明,噬菌体感染后发生溶原化但不裂解宿主,与宿主共进化且增强了宿主对有毒金属和抗生素的抗性。
 
除此之外, 单细胞测序也可用于探究细胞间的相互作用,发现微生物间的共生体, 例如Nanoarchaeota 和Ignicoccus 的共生关系,Actinomyces odontolyticus 和Candidatus Saccharibacteria 的寄生关系等。低温透射电镜显示,酸性矿山废水中古菌之间常常存在物理性的胞间连接,例如细胞质桥、菌毛等。如果胞间的相互作用足够强,不会在细胞分离过程中被破坏,单细胞测序技术则可将两个或多个细胞视作一个整体进行测序。

Munson-McGee等结合单细胞基因组测序和宏基因组测序发现,高温酸性温泉中专性共生纳米古菌与宿主的物理关联。2019年,Nakayama等为了深入了解海洋蓝藻共生,对宿主远洋鞭毛藻进行单细胞测序并分析其中的蓝藻基因组。系统发育分析显示,样本中蓝藻属于新的分支,它与宿主鞭毛藻严格共存且经历了独立的进化,这种密切的共生关系导致它无法被传统宏基因组学检测到。因此,单细胞测序对发掘物种的多样性、生活方式、代谢途径和进化过程具有重大意义。
 
随着细胞内融合技术的发展成熟,2019年,Florenza等建议使用epicPCR探究环境中真核生物和原核生物的相互作用关系,如固氮菌和浮游生物之间的互利共生,藻细胞周围的微型“生物圈”中有以碳水化合物为食的异养细菌,还有病原菌感染细胞并在宿主细胞中增殖。该方法将单个真核细胞和伴生的原核细胞形成的单个细胞簇分散到液滴中,既实现了单个真核细胞的分隔,又保持了真核生物和相关原核生物之间紧密的联系。该方法也有一定局限性 :只能揭示物理上紧密结合的相互作用,即在封装时紧密相连的相互作用,包括共生、捕食、寄生等,但无法区分相互作用关系发生在真核细胞的内部还是外部,也不能探究相互作用的分子机制。
 
出自《单细胞测序技术在微生物生态领域中的应用》作者王丹蕊,沈文丽,魏子艳。