前情回顧：

單細(xì)胞時(shí)代 || 細(xì)胞身份概念的演變
單細(xì)胞時(shí)代 || 網(wǎng)絡(luò)分析應(yīng)用進(jìn)展，機(jī)遇與挑戰(zhàn)
單細(xì)胞時(shí)代 || 從眾病之王到希望之光
單細(xì)胞時(shí)代 || 宿主-微生物組相互作用

Host-Microbiome Interactions in the Era of Single-Cell Biology

這不是最好的時(shí)代，也不是最壞的時(shí)代权她，這里是單細(xì)胞時(shí)代揍堰。靈活的單細(xì)胞系統(tǒng)终抽，高效的組織解離液，開源的數(shù)據(jù)分析工具帐我，端到端的單細(xì)胞解決方案是未來發(fā)展的趨勢(shì)塞琼。這里最主要的是開放靈活的單細(xì)胞系統(tǒng)菠净，有了這個(gè)系統(tǒng)我們就可以自主地設(shè)計(jì)反應(yīng)體系禁舷，來從不同緯度捕獲單個(gè)細(xì)胞的信息彪杉。

單細(xì)胞不是一個(gè)技術(shù)而是一個(gè)層次，會(huì)給此前的生命科學(xué)領(lǐng)域帶來新的視角牵咙。在本文中派近，我們跟著一篇綜述來看看單細(xì)胞技術(shù)如何為腸道菌群研究帶來新的希望。你看洁桌，圍繞腸道菌群已經(jīng)開發(fā)的單細(xì)胞技術(shù)有：

scDual-Seq: mapping the gene regulatory program of Salmonella infection by host and pathogen single-cell RNA-sequencing
Highly Multiplexed Spatial Mapping of Microbial Communities
Prokaryotic single-cell RNA sequencing by in situ combinatorial indexing
MAPS-seq: magnetic bead-assisted parallel single-cell gene expression profiling
Single-cell genomics of uncultured bacteria reveals dietary fiber responders in the mouse gut microbiota
Interaction Between the Microbiota, Epithelia, and Immune Cells in the Intestine

微生物是最普遍的生命形式渴丸，但是對(duì)于微生物的多樣性（diversity）我們知道的還很少。近年來另凌，隨著測(cè)序技術(shù)的出現(xiàn)（mNGS,16S,metagenome）谱轨，人們對(duì)它們?cè)谡{(diào)節(jié)宿主生理方面的作用有了更深入的認(rèn)識(shí)，微生物已成為人類健康和疾病生物學(xué)研究的前沿吠谢。盡管如此土童，由于核酸和細(xì)胞分析方法的出現(xiàn)，捕獲微生物及其誘導(dǎo)的宿主反應(yīng)的異質(zhì)性（heterogeneity）一直頗具挑戰(zhàn)性工坊。通過基因組學(xué)献汗、轉(zhuǎn)錄組學(xué)和空間組學(xué)，單細(xì)胞分析領(lǐng)域是我們對(duì)復(fù)雜生物理解的最新技術(shù)王污。這些技術(shù)顯著地促進(jìn)了我們對(duì)宿主生物學(xué)的理解罢吃，但只是在最近才應(yīng)用于微生物研究，闡明了它們的多樣性以及在共生和致病背景下與宿主細(xì)胞的相互作用昭齐。

在這篇綜述中尿招，我們回顧新興技術(shù)的應(yīng)用及其將為理解微生物異質(zhì)性提供新的見解。然后，我們?cè)敿?xì)研究了宿主單細(xì)胞分析如何揭示微生物對(duì)宿主異質(zhì)性的影響以及宿主生物學(xué)對(duì)微生物的影響就谜。如果沒有單細(xì)胞分析的出現(xiàn)把沼，這些見解將是具有挑戰(zhàn)性的，在某些情況下是不可能的吁伺。這表明了單細(xì)胞范式對(duì)于微生物學(xué)領(lǐng)域向前發(fā)展的重要性饮睬，通過宿主-微生物組的視角，應(yīng)用這些見解來更好地理解和治療人類疾病篮奄。

微生物是地球上主要的生命形式捆愁，據(jù)估計(jì)地球上大約有個(gè)細(xì)菌細(xì)胞和古菌。最近的一項(xiàng)估計(jì)顯示窟却，地球上有人居住的微生物物種數(shù)量為種昼丑。盡管有巨大的生態(tài)多樣性和普遍性，微生物仍然是一些最不具特征的生物夸赫，可能有超過99%的微生物類群尚待發(fā)現(xiàn)菩帝。據(jù)估計(jì)，每個(gè)人體內(nèi)都有個(gè)微生物細(xì)胞茬腿，這個(gè)數(shù)字相當(dāng)于我們體內(nèi)的體細(xì)胞數(shù)量呼奢。不可否認(rèn)，對(duì)人體微生物組的更全面了解也會(huì)使我們對(duì)人類健康和疾病有更深入的了解切平。事實(shí)上握础，在過去的十年中，許多研究表明微生物組與人類疾病有關(guān)悴品，包括炎癥性腸病禀综、癌癥、中樞神經(jīng)系統(tǒng)障礙苔严、血管疾病以及肥胖定枷。

在過去的幾十年里，研究微生物組的測(cè)序和模型技術(shù)的進(jìn)步極大地促進(jìn)了生物發(fā)育和疾病病理中的作用届氢。無菌人源化小鼠作為一種研究模型生物微生物組的方法被廣泛采用欠窒。同時(shí)，在基因組水平上悼沈，最常用的鑒定方法包括16S核糖體DNA (rDNA)測(cè)序贱迟、宏基因組和宏轉(zhuǎn)錄組測(cè)序、微生物組代謝組學(xué)鑒定等絮供，以更好地了解微生物組的組成和菌落水平的特征衣吠。

盡管有了以上進(jìn)展，盡管它在表型可變疾病如IBD的背景下的重要性已經(jīng)得到了一定的的認(rèn)識(shí)壤靶，但對(duì)微生物組異質(zhì)性的理解仍有挑戰(zhàn)缚俏。特別是，通常使用的方法往往失去了跨菌落和物種內(nèi)部的微生物的空間和細(xì)胞分層。最近在單細(xì)胞分離和測(cè)序技術(shù)的進(jìn)展提供了一個(gè)潛在的解決方案忧换，然而恬惯，一些因素阻礙了傳統(tǒng)的單細(xì)胞測(cè)序方法在微生物特性方面的研究。

• 低的DNA和mRNA含量限制了從單個(gè)細(xì)胞中進(jìn)行測(cè)序分析的合理數(shù)量的遺傳物質(zhì)亚茬。
• 細(xì)菌mRNA缺乏聚腺苷化限制了其與rRNA的分離酪耳。
• 此外，細(xì)胞壁和細(xì)胞膜的多樣性對(duì)單細(xì)胞RNA測(cè)序(scRNA-seq)所需的持續(xù)裂解或滲透提出了挑戰(zhàn)刹缝。

一些技術(shù)已經(jīng)開始處理上述的限制碗暗。熒光激活細(xì)胞分選(FACS)已被應(yīng)用于未培養(yǎng)的微生物，以實(shí)現(xiàn)單細(xì)胞分離梢夯，然后裂解言疗，全基因組擴(kuò)增(WGA)，以及基于16SrRNA的細(xì)胞鑒定颂砸。微流控技術(shù)在細(xì)胞分離中的應(yīng)用在微生物學(xué)領(lǐng)域迅速發(fā)展噪奄，實(shí)現(xiàn)了對(duì)單細(xì)胞微生物基因組的高通量分離、片段化和條形碼(Lan et al.人乓， 2017)勤篮。單滴多位移擴(kuò)增(Single droplet multiple displacement amplification，sd-MDA)捕獲皮升滴中的單個(gè)細(xì)胞撒蟀，然后進(jìn)行全基因組擴(kuò)增叙谨，保持單基因組特異性的完整性。然而保屯，這種方法的一個(gè)局限性是MDA會(huì)放大DNA污染，產(chǎn)生不均勻的reads覆蓋涤垫，導(dǎo)致嵌合片段連接不相鄰的模板序列(Zhang et al.姑尺， 2006)。凝膠微滴培養(yǎng)是一種方法蝠猬，單細(xì)胞捕獲瓊脂滴切蟋，并在MDA之前生長(zhǎng)到數(shù)百個(gè)細(xì)胞。雖然這允許從單細(xì)胞擴(kuò)增基因組榆芦，但這可能會(huì)產(chǎn)生基于瓊脂細(xì)胞培養(yǎng)要求的采樣偏差柄粹。

下面，我們將重點(diǎn)介紹一些新興技術(shù)匆绣，這些技術(shù)用于在單細(xì)胞分辨率下更好地描述人類固有的微生物組以及宿主-微生物組關(guān)系驻右。這些進(jìn)步可以被歸類為在微生物組細(xì)胞水平上的基因組和轉(zhuǎn)錄多樣性以及在菌落水平上賦予空間分布異質(zhì)性。

在單細(xì)胞分辨率下的微生物組研究

• 解決分類學(xué)和功能的異質(zhì)性

微生物單細(xì)胞基因組學(xué)是一個(gè)最近和迅速出現(xiàn)的領(lǐng)域崎淳。為真核細(xì)胞開發(fā)的單細(xì)胞基因組學(xué)的進(jìn)展堪夭，使得同樣可以應(yīng)用于原核生物的工具成為可能。其中一項(xiàng)技術(shù)被稱為SPLiT-Seq，涉及RNA的組合條形碼編碼森爽，并在單細(xì)胞水平上對(duì)細(xì)菌轉(zhuǎn)錄組學(xué)產(chǎn)生了新的見解恨豁。在SPLiT-Seq中，細(xì)胞是固定的爬迟，通透性的橘蜜，cDNA是由細(xì)胞RNA通過細(xì)胞內(nèi)逆轉(zhuǎn)錄(RT)生成的，使用條形碼poly-T和隨機(jī)六聚體引物以多孔形式生成付呕。多輪的細(xì)胞池和隨機(jī)分裂扮匠，然后是明確的cDNA條形碼，確保高可能性的獨(dú)特標(biāo)簽RNA每個(gè)細(xì)胞起源凡涩。這種技術(shù)非常適合于微生物應(yīng)用棒搜，因?yàn)樗軌蚶@過單細(xì)胞分離，并允許無偏性捕獲RNA表達(dá)譜活箕。

為了實(shí)現(xiàn)mRNA的富集力麸，最近的一項(xiàng)研究利用大腸桿菌聚合酶I (PAP)在細(xì)胞中優(yōu)先富集聚腺苷酸mRNA。這項(xiàng)研究特別應(yīng)用了分裂池育韩，稱為“微分裂”克蚂，以識(shí)別在一系列應(yīng)激反應(yīng)、代謝途徑和細(xì)菌生長(zhǎng)發(fā)育中具有不同基因表達(dá)模式的各種細(xì)菌亞群筋讨。通過對(duì)大腸桿菌MW1255和枯草芽孢桿菌PY79細(xì)胞的熱休克暴露分析埃叭，確定了管家和應(yīng)激反應(yīng)sigma因子的時(shí)間激活，并將其組織成細(xì)菌群的亞群悉罕。進(jìn)一步的分析揭示了碳利用調(diào)控赤屋、脅迫響應(yīng)、金屬吸收和發(fā)育決策在生長(zhǎng)階段的時(shí)間變化壁袄，表明亞種群在廣泛的途徑上存在異質(zhì)性类早。此外，另一個(gè)關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)是在合格狀態(tài)的轉(zhuǎn)錄標(biāo)記富集的后期的細(xì)菌嗜逻。參與微生物相互作用的微生物和宿主細(xì)胞的單細(xì)胞特性鑒定技術(shù)涩僻。微生物可以通過多種單細(xì)胞基因組學(xué)、空間特性和組合空間基因組技術(shù)來研究栈顷。

微生物分裂池連接轉(zhuǎn)錄組(microSPLiT -pool ligation transcriptomics, micro - split)利用多輪細(xì)胞池和隨機(jī)分裂逆日，按細(xì)胞來源對(duì)cDNA進(jìn)行唯一的條形碼，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)RNA表達(dá)譜的無偏捕獲萄凤，并繞過了單細(xì)胞分離的要求(Kuchina et al.室抽， 2019)。

一種類似的使用分裂池測(cè)序的技術(shù)也被開發(fā)出來蛙卤，稱為原核表達(dá)譜狠半，通過標(biāo)記RNA的原位和測(cè)序(PETRI-seq)噩死。PETRI-seq由三個(gè)主要組件組成:細(xì)胞準(zhǔn)備、分裂池條形碼和建庫(kù)神年。microSPLiT協(xié)議中的幾個(gè)顯著差異包括缺少優(yōu)先mRNA捕獲和使用AMPure XP beads純化細(xì)胞裂解液中的cDNA時(shí)使用鏈霉親和素捕獲純化cDNA已维。PETRI-seq能夠通過不同生長(zhǎng)階段對(duì)單個(gè)大腸桿菌細(xì)胞進(jìn)行強(qiáng)有力的鑒別，發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定期相關(guān)基因表達(dá)已日、核糖體蛋白表達(dá)和氨基酸生物合成的預(yù)期趨勢(shì)垛耳。使用PETRI-seq，作者應(yīng)用主成分分析對(duì)6663個(gè)金黃色葡萄球菌單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組進(jìn)行了檢測(cè)飘千，能夠檢測(cè)到一個(gè)稀有的亞群(0.04%)接受原噬菌體誘導(dǎo)的細(xì)胞堂鲜，富集了SA3usa原噬菌體的裂解基因。

另一項(xiàng)最近應(yīng)用于微生物分析的技術(shù)是單擴(kuò)增基因組(SAG)測(cè)序护奈。SAG測(cè)序的一種特殊變體稱為SAG-gel缔莲，它包括三個(gè)步驟：用凝膠珠分離單個(gè)細(xì)菌細(xì)胞，兩輪平行的多重置換擴(kuò)增(MDA)和多重單基因組測(cè)序霉旗。第一步是通過微流體液滴發(fā)生器在瓊脂糖溶液中進(jìn)行單細(xì)胞封裝痴奏。在對(duì)含有小滴的單菌進(jìn)行冷卻后，瓊脂糖聚合形成小珠厌秒，然后將其置于細(xì)胞裂解試劑和MDA中读拆。經(jīng)SYBR綠色染色鑒定為擴(kuò)增陽(yáng)性的凝膠珠，然后分選到96孔板中鸵闪，進(jìn)行第二輪MDA檢測(cè)檐晕。按照DNA產(chǎn)量和污染的質(zhì)量控制步驟，進(jìn)行全基因組測(cè)序蚌讼。

一項(xiàng)研究考察了膳食纖維菊粉對(duì)小鼠腸道微生物群組成的影響辟灰。利用16S rRNA基因測(cè)序初步在家族水平對(duì)細(xì)菌應(yīng)答物進(jìn)行分類，然后將SAG測(cè)序應(yīng)用于小鼠腸道菌群啦逆，了解菊粉喂養(yǎng)后增加的特定細(xì)菌對(duì)菊粉的利用能力伞矩。本研究的一個(gè)關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)是利用含有菊粉酶的位點(diǎn)簇鑒定了兩個(gè)具有多糖反應(yīng)的擬桿菌基因組。這些基因組與已知菊粉蛋白使用率相似夏志，被認(rèn)為是B.酸化因子的一個(gè)潛在的新亞群。此外苛让，進(jìn)一步對(duì)這兩種有應(yīng)答的擬桿菌進(jìn)行基因組分析沟蔑，與無應(yīng)答的擬桿菌比較，發(fā)現(xiàn)其在輔因子和維生素代謝狱杰、氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)和生物合成途徑瘦材、碳水化合物代謝等保守的生物合成途徑存在差異，提示菊糖應(yīng)答者在小鼠腸道菌群中發(fā)揮不同的代謝作用仿畸。

為了解決單擴(kuò)增基因組中存在的偏置基因組覆蓋和嵌合序列問題食棕，一項(xiàng)研究開發(fā)了一種新的分析流程朗和，稱為單細(xì)胞擴(kuò)增基因組的清洗和聯(lián)合裝配(ccSAG)。在ccSAG中簿晓，首先根據(jù)V3-V4區(qū)域的16S rRNA相似性和平均核苷酸的一致性眶拉，將原始菌株分組。原始contigs由這些凹陷組成憔儿，在組內(nèi)進(jìn)行比較忆植，并被分類為干凈的、未映射的或潛在的嵌合讀區(qū)谒臼。嵌合體根據(jù)原始contigs的對(duì)齊情況進(jìn)行分割并重新映射朝刊。交叉引用映射和嵌合體分裂的循環(huán)最終識(shí)別未映射讀并去除嵌合體。最后蜈缤，將清潔reads重新組裝到復(fù)合凹陷弧群中拾氓，并使用原始復(fù)合凹陷弧群進(jìn)行橋接。這就產(chǎn)生了無間隙的復(fù)合單細(xì)胞基因組底哥。將此分析方法應(yīng)用于基于微流體的小鼠腸道微生物的單細(xì)胞MDA測(cè)序咙鞍。從這項(xiàng)研究中，擬桿菌菌株內(nèi)的兩個(gè)新的草圖基因組在代謝途徑上存在差異叠艳，如鈷胺素生物合成奶陈，這表明這些新菌株具有不同的代謝作用。值得注意的是附较，當(dāng)比較菌株中SAGs的編碼序列時(shí)吃粒，在多糖裂解酶基因中檢測(cè)到導(dǎo)致氨基酸變化的單核苷酸多態(tài)性(SNPs)。由于構(gòu)建了復(fù)合單細(xì)胞基因組拒课，傳統(tǒng)的SAG聯(lián)合裝配可能忽略了這些snp徐勃，而ccSAG的分析方法允許檢測(cè)菌株內(nèi)snp，這表明在同一微生物物種中存在比以前認(rèn)為的更大的遺傳和功能異質(zhì)性早像。

與流式細(xì)胞術(shù)和傳統(tǒng)microfluidic-based測(cè)序技術(shù),虛擬微流體是發(fā)達(dá)國(guó)家僻肖，而不是物理微流體隔離單分子和細(xì)胞，大量利用聚乙二醇(PEG)水凝膠來實(shí)現(xiàn)diffusion-based沒有分子或細(xì)胞間的離散邊界劃分卢鹦。在這種形式下臀脏，小分子和寡核苷酸可以在虛擬的“隔間”之間自由移動(dòng)，而單細(xì)胞和高分子量MDA產(chǎn)品則不能冀自。這種格式允許對(duì)單個(gè)細(xì)胞和MDA產(chǎn)品聚類進(jìn)行簡(jiǎn)單的物理隔離揉稚，以便進(jìn)行成像、分析和本地化條形碼熬粗。此外搀玖，MDA中間體的局部限制可以解決技術(shù)限制，如嵌合讀取驻呐，提高單細(xì)胞MDA產(chǎn)品在更大范圍的完整性灌诅。利用該技術(shù)對(duì)混合培養(yǎng)的大腸桿菌和金黃色葡萄球菌進(jìn)行了單細(xì)胞散彈獵槍基因組測(cè)序芳来，成功解決了單細(xì)胞擴(kuò)增產(chǎn)物，沒有交叉污染猜拾。在同一項(xiàng)研究中即舌，這項(xiàng)技術(shù)被應(yīng)用于斐濟(jì)社區(qū)微生物組項(xiàng)目(Fiji Community Microbiome Project)的人類糞便樣本中不同的、無特征的微生物種類关带。虛擬微流體識(shí)別了一個(gè)在霰彈槍數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)分類學(xué)分配中最初沒有檢測(cè)到的微生物家族侥涵。這表明了一種無偏倚的單細(xì)胞方法(如虛擬微流體法)對(duì)微生物分析的重要性，特別是當(dāng)特定的生物體可能無法在參考數(shù)據(jù)集中很好地表示時(shí)宋雏。

每一種方法的發(fā)現(xiàn)都是有關(guān)微生物特性的基礎(chǔ)發(fā)現(xiàn)的例子芜飘，否則在Bulk測(cè)序中就會(huì)遺漏這些特性，這限制了對(duì)細(xì)胞間變異的檢測(cè)磨总，而這種變異在允許特定亞種群隨著環(huán)境變化而出現(xiàn)時(shí)通常是至關(guān)重要的嗦明。獲得單細(xì)胞基因組分辨率的能力具有重要的臨床意義，如細(xì)菌持久性和大型微生物群落不可培養(yǎng)成分的特性蚪燕。此外娶牌，這些新技術(shù)排除了參考基因組的需要。這使得我們可以分析來自宿主的未培養(yǎng)細(xì)菌馆纳，其中許多細(xì)菌還沒有被分類或鑒定诗良，并且開啟了對(duì)微生物組組成的新見解。

• 解決空間異質(zhì)性

基因組測(cè)序提供了在單細(xì)胞水平上更好地去褶積復(fù)雜微生物亞群的優(yōu)勢(shì)鲁驶，但也帶來了這樣復(fù)雜種群所包含的空間信息丟失的缺點(diǎn)鉴裹。目前建立的視覺成像方法在混合群落中對(duì)應(yīng)變水平的區(qū)分提出了挑戰(zhàn)。在這方面钥弯，一些研究著眼于提供微生物群落的單細(xì)胞空間信息径荔。

其中一個(gè)例子是一個(gè)AT-rich核糖體結(jié)合位點(diǎn)(RBS)文庫(kù)，類似于脆弱擬桿菌(Bf)噬菌體基因上游發(fā)現(xiàn)的序列脆霎，從中識(shí)別出最高表達(dá)產(chǎn)生啟動(dòng)子序列总处，稱為PBfP1E6 (Whitaker et al.， 2017)。在擬桿菌中，與常用啟動(dòng)子相比绘闷，pbfp1e6驅(qū)動(dòng)的表達(dá)顯示至少一個(gè)數(shù)量級(jí)的熒光，比16S rRNA啟動(dòng)子高70倍菠红。值得注意的是，該啟動(dòng)子沒有檢測(cè)到降低菌株在體內(nèi)的適應(yīng)度难菌。通過突變分析，創(chuàng)建了一系列不同強(qiáng)度的可互換啟動(dòng)子蔑滓，表達(dá)范圍達(dá)3萬倍郊酒。六種不同的擬桿菌被設(shè)計(jì)成基于不同水平的GFP和mCherry表達(dá)組合產(chǎn)生獨(dú)特的熒光特征遇绞。這些可以在低細(xì)胞識(shí)別錯(cuò)誤(約6%)的體內(nèi)被識(shí)別。作為這項(xiàng)技術(shù)的結(jié)果燎窘，作者試圖檢驗(yàn)擬桿菌在小鼠腸道的隱窩（crypt ）定植對(duì)隨后同種菌株的定植嘗試的影響摹闽。內(nèi)腔關(guān)聯(lián)在維持定殖中被認(rèn)為是重要的，然而褐健，這個(gè)特殊的研究允許空間分辨率的等基因菌株定位付鹿。值得注意的是，順序定殖導(dǎo)致第二株菌的整體定殖明顯較低蚜迅，這在內(nèi)腔相對(duì)于管腔處被大大夸大舵匾，這進(jìn)一步證明內(nèi)腔定殖在腸道內(nèi)的擬桿菌固結(jié)中起著重要作用。這項(xiàng)研究是一個(gè)早期的例子谁不，說明如何利用分子工具來提供應(yīng)變水平的分辨率坐梯，以揭示腸道微生物的定植異質(zhì)性。

熒光原位雜交(FISH)分析的目標(biāo)是rRNA分類鑒定和可視化目前存在刹帕，但在分類分辨率有限吵血。最近發(fā)展的基于熒光的檢測(cè)方法的一種改進(jìn)是高系統(tǒng)發(fā)育分辨率FISH (HiPR-FISH)。該技術(shù)通過使用兩步過程的二進(jìn)制條形碼系統(tǒng)提供了高多路復(fù)用性:第一步利用分類特異的16S rRNA探針偷溺，而第二步涉及與一組熒光標(biāo)記讀出探針的雜交蹋辅。用熒光讀出的分類特異的16S rRNA探針的解耦使這項(xiàng)技術(shù)的規(guī)模擴(kuò)大到足夠多的獨(dú)特組合，以研究自然中復(fù)雜的微生物生態(tài)系統(tǒng)挫掏。為了實(shí)現(xiàn)單細(xì)胞定量侦另，作者對(duì)現(xiàn)有的單細(xì)胞圖像自動(dòng)分割算法進(jìn)行了改進(jìn)，該算法在HiPR-FISH后進(jìn)行了多次像素分類和濾波以進(jìn)行圖像優(yōu)化砍濒。

該方法可對(duì)人口腔菌斑微生物組中的微生物種類進(jìn)行定量物理分析淋肾。具體地說，以前未在成像實(shí)驗(yàn)中描述的特殊屬細(xì)胞的新型微結(jié)構(gòu)——可能是由于它們的低發(fā)病率——能夠從這項(xiàng)工作中得到贊賞爸邢。在小鼠腸道微生物組的應(yīng)用中樊卓，HiPR-FISH圖譜被創(chuàng)建用于兩種不同抗生素治療的小鼠和對(duì)照組。作者發(fā)現(xiàn)抗生素治療導(dǎo)致小鼠腸道鄰近類群的空間組織發(fā)生特殊變化杠河，這表明在微生物組分析中除了考慮相對(duì)物種豐度外碌尔，還考慮相對(duì)空間生物地理學(xué)的重要性。HiPR-FISH技術(shù)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)在于券敌，對(duì)多色條形碼的實(shí)時(shí)解碼僅需一輪成像唾戚，數(shù)據(jù)采集速度比傳統(tǒng)FISH技術(shù)更快。此外待诅，多路復(fù)用的能力與多輪雜交和成像允許進(jìn)一步分離的初始讀數(shù)叹坦。

考慮到在基因組和空間水平上都能理解微生物組的新能力，自然的進(jìn)展是確定如何將這兩種關(guān)鍵的信息來源結(jié)合在一起卑雁，提供微生物組的空間基因組分析募书。為此绪囱，開發(fā)了一種通過測(cè)序的宏基因組小區(qū)取樣方法(MaPS-seq)，該方法將微生物細(xì)胞保存在其原生生物地理環(huán)境中莹捡，從而創(chuàng)建微生物組的空間圖譜鬼吵。MaPS-seq首先固定輸入的組織樣本，然后滲透并與含有反向16S rRNA擴(kuò)增引物的丙烯酰胺溶液孵卵篮赢。然后通過低溫珠打裂產(chǎn)生細(xì)胞團(tuán)簇齿椅，進(jìn)行細(xì)胞裂解，并通過尼龍網(wǎng)過濾以選擇顆粒大小启泣。這些產(chǎn)生的集群包含了以地理方式保存的基因組DNA涣脚，使空間信息的捕獲成為可能。然后种远，這些聚類與含有獨(dú)特條形碼的前向16S rRNA擴(kuò)增引物的凝膠珠共包被涩澡，可將凝膠珠光切，以確保在聚合物基質(zhì)降解時(shí)釋放基因組DNA坠敷。得到的液滴進(jìn)行PCR擴(kuò)增妙同，然后進(jìn)行液滴分離和深度測(cè)序。這些測(cè)序reads按照獨(dú)特的條形碼進(jìn)行分組膝迎，然后根據(jù)細(xì)菌操作分類學(xué)單位(OTUs)的相對(duì)豐度進(jìn)行分類粥帚。

作者應(yīng)用MaPS -seq研究了小鼠消化道不同區(qū)域的腸道微生物群，特別是回腸限次、盲腸和遠(yuǎn)端結(jié)腸芒涡。當(dāng)比較GI位點(diǎn)時(shí)，他們觀察到了分類學(xué)上的差異卖漫，但是也觀察到了一些共同的關(guān)聯(lián)费尽，比如在盲腸和結(jié)腸中發(fā)現(xiàn)了Lachnospiraceae和lactobacillus aceae之間的正相關(guān)。這些空間結(jié)構(gòu)表明羊始，盡管環(huán)境因素可以可變地塑造微生物區(qū)系的局部空間結(jié)構(gòu)旱幼，但存在更強(qiáng)的不受環(huán)境變化影響的關(guān)聯(lián)。此外突委，當(dāng)應(yīng)用MaPS -seq研究飲食改變后遠(yuǎn)端結(jié)腸微生物群的空間組織時(shí)柏卤，可以發(fā)現(xiàn)低脂、植物多糖為基礎(chǔ)的飲食中存在特殊的類群系統(tǒng)發(fā)育集群匀油，而在給予高脂缘缚、高糖飲食的小鼠中則沒有觀察到這種亞群。根據(jù)t-SNE分析敌蚜，來自這兩種飲食的集群形成了高度不同且重疊有限的群體桥滨，這表明在飲食結(jié)構(gòu)的改變中空間組織發(fā)生了重大變化。mam-seq分析技術(shù)提供了一個(gè)新的層次的洞察，在不同宿主環(huán)境和環(huán)境擾動(dòng)的背景下该园，微生物類群的空間組織酸舍，這將被傳統(tǒng)的方法忽略。

總之里初，這些研究顯示了用單細(xì)胞基因組學(xué)和空間特性互補(bǔ)是當(dāng)前可用的宏基因組分析的內(nèi)在力量。這些分析的結(jié)合可能最終使被低估的微生物生物地理學(xué)特性得以實(shí)現(xiàn)忽舟，并闡明宿主微生物群固有的復(fù)雜性双妨，以及環(huán)境影響對(duì)微生物之間的空間關(guān)系和基因組變化的實(shí)時(shí)影響。

在微生物環(huán)境下的宿主異質(zhì)性的單細(xì)胞研究

承認(rèn)微生物群落在分類和功能上的異質(zhì)性叮阅，特別有趣的是檢查宿主對(duì)微生物挑戰(zhàn)的反應(yīng)的適應(yīng)程度和變異性刁品。在單細(xì)胞水平上對(duì)微生物的分析不僅可以提供對(duì)微生物組的洞察，而且提供了更好地描述微生物與其宿主之間的細(xì)胞間關(guān)系的潛力浩姥。這是基本的背景生理學(xué)和病理生理學(xué)挑随，環(huán)境對(duì)宿主免疫學(xué)的影響，以及宿主細(xì)胞在調(diào)節(jié)微生物組的作用勒叠。

• 宿主與共生體的相互作用

對(duì)宿主細(xì)胞的單細(xì)胞分析為共生體和病原微生物在調(diào)節(jié)宿主生理中的作用提供了新的見解兜挨。其中一項(xiàng)研究對(duì)無菌(GF)和無特異性病原體(SPF)小鼠的結(jié)腸巨噬細(xì)胞進(jìn)行了單細(xì)胞RNA測(cè)序。在比較SPF小鼠和GF的所有結(jié)腸巨噬細(xì)胞簇時(shí)眯分，發(fā)現(xiàn)SPF巨噬細(xì)胞與免疫防御拌汇、抗原遞呈和氧化磷酸化相關(guān)的基因表達(dá)增加。亞群級(jí)別的分析,兩個(gè)巨噬細(xì)胞集群在SPF小鼠表現(xiàn)出明顯增加：第一CD11c + CD206intCD121b +弊决，這顯示在抗原處理相關(guān)基因的表達(dá)水平高噪舀，脂質(zhì)本地化和細(xì)胞遷移，和第二個(gè)群CD11c?CD206hiCD121b?飘诗，顯示增加interleukin-1基因參與了反應(yīng),傷口愈合与倡，脈管系統(tǒng)監(jiān)管，凋亡細(xì)胞間隙昆稿，細(xì)胞因子的生產(chǎn)纺座。無菌小鼠在巨噬細(xì)胞中富集，炎癥和應(yīng)激反應(yīng)的基因表達(dá)降低貌嫡。這兩個(gè)簇被發(fā)現(xiàn)來自一個(gè)共同的高CCR2表達(dá)水平的巨噬細(xì)胞前體簇比驻。在CD11c+CD206intCD121b+和CD11c?CD206hiCD121b?細(xì)胞中，CCR2的丟失和泛巨噬細(xì)胞標(biāo)志物的增加遵循假時(shí)間過程岛抄。通過對(duì)結(jié)腸MPs不同亞群的流式細(xì)胞術(shù)和大量RNA測(cè)序分析别惦，驗(yàn)證了這項(xiàng)工作的有效性。因此夫椭，應(yīng)用scRNA-seq在細(xì)胞水平上研究宿主細(xì)胞已經(jīng)確定了特定結(jié)腸巨噬細(xì)胞亞群的產(chǎn)生依賴于宿主腸道內(nèi)細(xì)菌驅(qū)動(dòng)的分化軌跡掸掸。

先天性淋巴樣細(xì)胞(ILC)是最近發(fā)現(xiàn)的先天性免疫系統(tǒng)的組成部分，是粘膜免疫、炎癥和組織穩(wěn)態(tài)的關(guān)鍵調(diào)節(jié)劑扰付。根據(jù)轉(zhuǎn)錄因子的不同表達(dá)堤撵，輔助型ILCs可以細(xì)分為三種不同的類型，這使得ILCs具有不同的特征羽莺。為了確定ILCs對(duì)微生物組的反應(yīng)实昨，以及隨后微生物組的變化如何改變ILC生物學(xué)，一項(xiàng)研究應(yīng)用scRNA-seq來揭示ILCs在單細(xì)胞水平上對(duì)微生物定植的反應(yīng)盐固。antibiotic-treated和GF小鼠小腸粘膜的分析,作者發(fā)現(xiàn)了相似的集群antibiotic-treated和GF老鼠,都是大大不同于SPF小鼠,暗示類似的效應(yīng)ilc的預(yù)處理或縮短微生物群損耗荒给。在抗生素處理和GF小鼠中，當(dāng)比較ILC亞組的相對(duì)豐度時(shí)刁卜，觀察到ILC3和ILC2細(xì)胞擴(kuò)增志电，ILC1表型缺失。在ILC1和ILC2亞群中蛔趴，觀察到ILC2特異性基因的表達(dá)急劇下降挑辆，同時(shí)ilc3特異性基因的表達(dá)增加。此外孝情，細(xì)胞因子IL-17a的表達(dá)鱼蝉，以前被認(rèn)為是依賴于微生物組的，在抗生素處理和GF小鼠中咧叭，在所有亞組中持續(xù)丟失蚀乔，這進(jìn)一步證明了微生物組對(duì)IL-17a表達(dá)的影響。最終菲茬，將scRNA-seq應(yīng)用于與微生物組細(xì)胞接近的免疫細(xì)胞吉挣，揭示了身份和細(xì)胞命運(yùn)調(diào)節(jié)的細(xì)胞水平變化，否則在bulk測(cè)序中就會(huì)丟失這些變化婉弹。

• 宿主與病原體的相互作用

除了共生體睬魂，致病性微生物在組成和功能上同樣顯示出高度的群體內(nèi)異質(zhì)性。這就提出了一個(gè)問題镀赌，即細(xì)胞間的差異如何預(yù)測(cè)或改變病理環(huán)境下宿主與微生物的關(guān)系氯哮。這已經(jīng)在巨噬細(xì)胞感染鼠傷寒沙門氏菌的研究中被探索，以揭示復(fù)雜的商佛，對(duì)感染性微生物的異質(zhì)性免疫反應(yīng)的潛在機(jī)制喉钢。近年來，人們對(duì)宿主對(duì)微生物感染的反應(yīng)有了更多的了解良姆，這已經(jīng)成為在單細(xì)胞水平闡明宿主免疫-微生物組關(guān)系的一個(gè)有價(jià)值的工具肠虽。

由于巨噬細(xì)胞對(duì)病原微生物表現(xiàn)出不同的反應(yīng)結(jié)果——未感染、病原體破壞感染玛追、病原體持續(xù)感染——一項(xiàng)研究對(duì)沙門氏菌暴露的小鼠骨髓源性巨噬細(xì)胞(BMMs)進(jìn)行了scRNA-seq税课，以區(qū)分其轉(zhuǎn)錄變化和免疫應(yīng)答結(jié)果闲延。主成分分析顯示，暴露和未暴露病原體以及感染和未感染巨噬細(xì)胞的基因簇使巨噬細(xì)胞分層韩玩。然而垒玲，在巨噬細(xì)胞的一個(gè)亞群中誘導(dǎo)了一個(gè)富含I型干擾素(IFN)反應(yīng)的基因簇，發(fā)現(xiàn)該基因簇可以區(qū)分感染的巨噬細(xì)胞和未感染的找颓、病原體暴露的巨噬細(xì)胞合愈。在感染的巨噬細(xì)胞亞群中，主要對(duì)感染細(xì)胞內(nèi)信號(hào)反應(yīng)的基因比那些對(duì)細(xì)菌表達(dá)細(xì)胞外信號(hào)反應(yīng)的基因變異更大叮雳。這種差異表明想暗，即使在表型上同質(zhì)的感染細(xì)胞群體中，也存在內(nèi)在的異質(zhì)性帘不。通過對(duì)感染巨噬細(xì)胞的進(jìn)一步研究，我們發(fā)現(xiàn)沙門氏菌毒力因子PhoPQ的表達(dá)水平?jīng)Q定了感染巨噬細(xì)胞中I型IFN的誘導(dǎo)水平杨箭。PhoPQ可以上調(diào)對(duì)巨噬細(xì)胞內(nèi)存活至關(guān)重要的基因寞焙。在本研究中，單細(xì)胞分析是鑒定這樣一個(gè)群體的關(guān)鍵互婿，因?yàn)镮型IFN基因簇在平均分布于所有細(xì)胞時(shí)沒有被高度誘導(dǎo)捣郊。這項(xiàng)工作強(qiáng)調(diào)了致病變異和感染細(xì)胞和旁觀者細(xì)胞的宿主反應(yīng)異質(zhì)性的重要性，表明免疫激活狀態(tài)并不是在宿主的一個(gè)筒體中運(yùn)行慈参，但也反映了病原體的內(nèi)在變異呛牲，這些變異隨后導(dǎo)致了宿主的反應(yīng)。

在本研究的基礎(chǔ)上驮配，另一組試圖探索巨噬細(xì)胞如何對(duì)極端的細(xì)胞內(nèi)細(xì)菌生長(zhǎng)異質(zhì)性作出反應(yīng)娘扩。通過熒光沙門氏菌菌株報(bào)告了小鼠BMMs內(nèi)的細(xì)菌增殖情況，作者結(jié)合細(xì)胞分選和scRNA-seq鑒定了三個(gè)巨噬細(xì)胞亞群：初始巨噬細(xì)胞和兩組受攻擊巨噬細(xì)胞壮锻。通過對(duì)這兩組受到攻擊的巨噬細(xì)胞的分析琐旁，發(fā)現(xiàn)含有非生長(zhǎng)細(xì)菌的巨噬細(xì)胞的表達(dá)譜顯示了促炎M1極化狀態(tài)的特征，并與旁觀者細(xì)胞無法區(qū)分猜绣，這表明非生長(zhǎng)細(xì)菌逃避了細(xì)胞內(nèi)免疫受體的識(shí)別灰殴。相反，含有生長(zhǎng)細(xì)菌的巨噬細(xì)胞呈抗炎的m2樣狀態(tài)掰邢，這表明快速生長(zhǎng)的沙門氏菌通過重組巨噬細(xì)胞的極化來避免宿主的反應(yīng)牺陶。這被發(fā)現(xiàn)是感染的直接結(jié)果，因?yàn)檫@樣的M2標(biāo)記在原始巨噬細(xì)胞中缺失辣之，并被證明與細(xì)菌增殖相關(guān)掰伸。此外，作者還確定了這兩種巨噬細(xì)胞極端狀態(tài)之間的一系列中間狀態(tài)召烂。這項(xiàng)研究證明了最近受到重視的概念碱工，即微生物可以利用宿主基因組的可塑性來實(shí)現(xiàn)其自身的維持或增殖的生物學(xué)需求。

結(jié)合巨噬細(xì)胞和原核病原體的測(cè)序，另一項(xiàng)研究將scRNA-Seq應(yīng)用于沙門氏菌感染的巨噬細(xì)胞怕篷，在單細(xì)胞環(huán)境下對(duì)宿主和病原體進(jìn)行雙重分析历筝，稱為scDual-Seq (Avital et al.， 2017)廊谓。該方法包括通過隨機(jī)六聚體DNA寡聚物啟動(dòng)逆轉(zhuǎn)錄梳猪，使用條形碼引物進(jìn)行多路復(fù)用，體外轉(zhuǎn)錄進(jìn)行RNA擴(kuò)增蒸痹，以及配對(duì)端Illumina測(cè)序春弥。reads的片段被映射到老鼠和沙門氏菌的轉(zhuǎn)錄組上。通過本研究叠荠，作者鑒定了兩類具有不同轉(zhuǎn)錄特征的細(xì)胞內(nèi)沙門氏菌匿沛，分別為I類和II類。

此外榛鼎，他們發(fā)現(xiàn)感染巨噬細(xì)胞的三個(gè)亞群：部分誘導(dǎo)感染I類沙門氏菌的巨噬細(xì)胞逃呼，完全誘導(dǎo)感染I類沙門氏菌的巨噬細(xì)胞 以及完全誘導(dǎo)感染II類沙門氏菌的巨噬細(xì)胞。通過偽時(shí)間分析者娱，本研究發(fā)現(xiàn)巨噬細(xì)胞跟隨從部分誘導(dǎo)狀態(tài)到完全誘導(dǎo)狀態(tài)的線性進(jìn)程抡笼，同時(shí)在沙門氏菌類中發(fā)生從I到II的變化。這項(xiàng)研究代表了一種新的范式黄鳍，通過同時(shí)分析兩個(gè)轉(zhuǎn)錄組來研究宿主-病原體的相互作用推姻。盡管表型分解由于感染的多樣性而受到限制，未來的工作可以繼續(xù)建立這種宿主和病原體的關(guān)聯(lián)分析方法框沟。

除了免疫細(xì)胞藏古，上皮細(xì)胞對(duì)病原體的反應(yīng)也被證明在宿主體內(nèi)平衡中發(fā)揮重要作用。其中一項(xiàng)研究檢測(cè)了沙門氏菌和多回蠕蟲對(duì)宿主腸上皮細(xì)胞的影響街望。通過基于液滴的scRNA-seq技術(shù)校翔，作者對(duì)不同感染時(shí)間的小鼠小腸上皮細(xì)胞進(jìn)行了分析。對(duì)病原體的反應(yīng)分為病原體特異性和病原體共享細(xì)胞內(nèi)在的改變和改變腸道細(xì)胞組成灾前。在對(duì)沙門氏菌的細(xì)胞內(nèi)在反應(yīng)方面防症，在所有感染的上皮細(xì)胞中，參與細(xì)菌防御反應(yīng)通路的基因表達(dá)發(fā)生了變化哎甲。有趣的是蔫敲，一些對(duì)沙門氏菌的反應(yīng)被發(fā)現(xiàn)是通過細(xì)胞類型特異性的方式誘導(dǎo)的，如各種抗菌肽和促炎蛋白炭玫。相反奈嘿，其他先前被認(rèn)為是細(xì)胞類型特異性的蛋白質(zhì)，如抗微生物肽Reg3a吞加，在沙門氏菌感染后在所有細(xì)胞類型中都被發(fā)現(xiàn)裙犹。在蠕蟲感染的反應(yīng)中尽狠，大多數(shù)誘導(dǎo)基因是病原體特異性基因，包括炎癥反應(yīng)基因和簇細(xì)胞標(biāo)記叶圃。在杯狀細(xì)胞中袄膏，先前與抗寄生蟲免疫有關(guān)的基因被發(fā)現(xiàn)被誘導(dǎo)。值得注意的是掺冠，在杯狀細(xì)胞H. polygyrus反應(yīng)中發(fā)現(xiàn)的一些基因(Wars和Pnlipr2)之前并不知道在這些細(xì)胞中表達(dá)沉馆。H. polygyrus和沙門氏菌感染都導(dǎo)致干細(xì)胞中應(yīng)激基因模塊的上調(diào)。在細(xì)胞組成改變方面德崭，沙門氏菌感染導(dǎo)致成熟腸上皮細(xì)胞和Paneth細(xì)胞增加斥黑，同時(shí)轉(zhuǎn)運(yùn)擴(kuò)增細(xì)胞和干細(xì)胞顯著減少。多回感染顯著增加杯狀細(xì)胞和簇狀細(xì)胞計(jì)數(shù)眉厨，同時(shí)減少腸上皮細(xì)胞锌奴。這些結(jié)果表明，對(duì)宿主對(duì)病原體的反應(yīng)有一個(gè)更完整的理解憾股，這涉及到對(duì)感染的整體和細(xì)胞特異性改變的混合作用缨叫。本研究揭示了病原體對(duì)宿主上皮細(xì)胞的實(shí)質(zhì)性特異性作用，包括許多在沒有單細(xì)胞方法的情況下未知的發(fā)現(xiàn)荔燎。

應(yīng)用我們對(duì)宿主-微生物組相互作用的理解，在臨床環(huán)境中尤其相關(guān)销钝，因?yàn)榛颊叩慕Y(jié)局往往與他們獨(dú)特的生理和免疫反應(yīng)相聯(lián)系有咨。一項(xiàng)研究使用沙門氏菌體外感染人外周血單核細(xì)胞(PBMC)模型，對(duì)未暴露和暴露的細(xì)胞進(jìn)行scRNA-seq蒸健，以揭示感染前后的免疫細(xì)胞類型及其亞型座享。通過這些信息，一種算法被開發(fā)似忧，以反卷積體積測(cè)量的PBMCs從病原體暴露到細(xì)胞類型以及亞群體依賴于病原體暴露渣叛。隨后，這一方法被應(yīng)用于來自不同疾病階段結(jié)核病患者群體的大量RNA-seq數(shù)據(jù)盯捌。他的算法能夠在基線(出現(xiàn)活動(dòng)性疾病癥狀之前)將潛在的結(jié)核病感染者分為可能發(fā)展為活動(dòng)性疾病的患者和不會(huì)發(fā)展為活動(dòng)性疾病的患者淳衙。這代表了宿主細(xì)胞在微生物感染背景下的scRNA-seq的驚人能力，因此單核細(xì)胞感染的數(shù)據(jù)饺著，及其相關(guān)特征箫攀，從一種類型的病原體可以用于和應(yīng)用于其他病原性疾病。這對(duì)于感染性疾病患者的預(yù)后和由微生物調(diào)節(jié)的更廣泛的疾病應(yīng)用具有巨大的臨床價(jià)值幼衰。

對(duì)病毒感染的宿主的研究類似于細(xì)胞內(nèi)細(xì)菌感染靴跛，對(duì)參與宿主反應(yīng)的特定細(xì)胞類型和途徑有了新的見解。一項(xiàng)研究開發(fā)了一種名為“病毒追蹤”的計(jì)算工具來區(qū)分病毒感染宿主細(xì)胞和scRNA-seq數(shù)據(jù)中的病毒RNA渡嚣。這是通過將scRNA-seq數(shù)據(jù)全面映射到已知病毒基因組數(shù)據(jù)庫(kù)中來實(shí)現(xiàn)的梢睛。因此肥印，與病毒感染相關(guān)的細(xì)胞類型可以與未感染的旁觀者細(xì)胞群分開進(jìn)行分析。在本研究中绝葡，viral - track成功識(shí)別了多種體內(nèi)小鼠感染模型和人類臨床乙肝感染樣本中的感染細(xì)胞深碱，并檢測(cè)了與病毒復(fù)制相關(guān)的宿主因子。作者還應(yīng)用病毒徑跡研究了COVID-19中挤牛、重度患者的支氣管肺泡灌洗樣本莹痢。該分析揭示了病毒對(duì)輕、重癥患者免疫細(xì)胞的影響差異墓赴。輕度患者出現(xiàn)肺泡巨噬細(xì)胞富集竞膳，重度患者出現(xiàn)中性粒細(xì)胞、炎性單核細(xì)胞诫硕、巨噬細(xì)胞和更原始的CD4+ T細(xì)胞表型坦辟。通過觀察炎癥信號(hào)來區(qū)分嚴(yán)重表型:SPP1+單核細(xì)胞的炎癥趨化因子基因和與缺氧或氧化應(yīng)激相關(guān)的基因上調(diào)，而MHC II類和I型IFN基因下調(diào)章办。肺泡巨噬細(xì)胞也表現(xiàn)出嚴(yán)重相關(guān)的特定趨化因子和組織蛋白酶的上調(diào)锉走。通過對(duì)病毒感染背景下的宿主細(xì)胞的分析，本研究顯示了單細(xì)胞測(cè)序在解剖病毒感染機(jī)制方面的廣泛適用性藕届，包括病毒誘導(dǎo)病理中的細(xì)胞和分子特征挪蹭。此外，它突出了傳統(tǒng)scRNA-seq中未映射到宿主基因組的reads的巨大價(jià)值休偶。在臨床環(huán)境中梁厉，病毒跟蹤工具是一個(gè)例子，說明如何使用scRNA-seq計(jì)算管道作為診斷工具踏兜，識(shí)別病毒疾病中的免疫調(diào)節(jié)词顾，并識(shí)別聯(lián)合感染。

這些研究確定了宿主和病原體轉(zhuǎn)錄組內(nèi)細(xì)胞間變異的新軸碱妆，不僅可以用來了解疾病的發(fā)病機(jī)制肉盹，還可以預(yù)測(cè)疾病的結(jié)果(Penaranda和Hung, 2019)。這項(xiàng)工作強(qiáng)調(diào)了單細(xì)胞分析宿主和微生物細(xì)胞的重要性疹尾，當(dāng)特征的組織上忍，器官，或復(fù)雜的生物體范圍內(nèi)宿主-微生物關(guān)系的表現(xiàn)航棱。

結(jié)論

盡管在微生物及其宿主相互作用的單細(xì)胞生物學(xué)特性方面的技術(shù)進(jìn)展尚不成熟睡雇，但該領(lǐng)域出現(xiàn)了幾個(gè)共同的主題。首先饮醇，單個(gè)微生物細(xì)胞可以通過多種模式進(jìn)行高分辨率分析(圖1A-E)它抱，其中許多模式已經(jīng)從真核生物應(yīng)用中調(diào)整并優(yōu)化為微生物使用。因此朴艰，人類單細(xì)胞生物學(xué)的不斷進(jìn)步很可能會(huì)繼續(xù)激發(fā)和啟發(fā)微生物技術(shù)观蓄。相反混移，單細(xì)胞研究對(duì)微生物的獨(dú)特挑戰(zhàn)——低RNA和DNA含量，細(xì)胞膜和細(xì)胞壁的多樣性——挑戰(zhàn)并鼓勵(lì)當(dāng)前技術(shù)提高靈敏度和再現(xiàn)性侮穿，這有利于微生物和多細(xì)胞生物研究(圖1F-H)歌径。

在上述研究中，除了基因組學(xué)亲茅、轉(zhuǎn)錄組學(xué)和空間分辨率方面的改進(jìn)外回铛，現(xiàn)在還出現(xiàn)了能夠結(jié)合多種分析類型的新方法，這樣研究人員就不需要犧牲一種分析類型來進(jìn)行另一種分析克锣。這些方法也為同時(shí)研究宿主和微生物的界面開辟了道路(圖1I)茵肃。通過對(duì)單細(xì)胞的研究，在認(rèn)識(shí)共生體在調(diào)節(jié)宿主生理和細(xì)胞分化途徑中的作用方面取得了很大進(jìn)展袭祟。通過應(yīng)用宿主-病原體的相互作用验残，這些研究揭示了病原體的異質(zhì)性對(duì)宿主疾病狀態(tài)的影響，宿主對(duì)感染的新反應(yīng)巾乳，以及細(xì)胞和組織水平上的穩(wěn)態(tài)變化您没。這些見解可用于識(shí)別更為靈敏和準(zhǔn)確的臨床診斷生物標(biāo)志物，預(yù)測(cè)和監(jiān)測(cè)治療結(jié)果胆绊，并利用宿主-微生物組的相互作用氨鹏，以達(dá)到有益的目的。

最后压状，這些技術(shù)還需要回答一些新的生物學(xué)問題喻犁，比如微生物亞群與宿主之間的合作行為如何能夠成功地實(shí)現(xiàn)從營(yíng)養(yǎng)吸收到病原體清除的協(xié)調(diào)結(jié)果。此外何缓，在這些反應(yīng)中，細(xì)菌和宿主細(xì)胞之間的分工还栓，可能在RNA-seq細(xì)胞行為的體積平均值中丟失碌廓，現(xiàn)在可以進(jìn)一步研究。這里所審查的技術(shù)將促進(jìn)今后的研究剩盒，旨在澄清該領(lǐng)域若干懸而未決的問題谷婆，例如:

• 細(xì)菌亞群如何合作以實(shí)現(xiàn)種群水平的優(yōu)勢(shì)增長(zhǎng)?
• 宿主細(xì)胞亞群如何協(xié)調(diào)抗微生物反應(yīng)，以最大化效率和最小化組織損傷?
• 宿主和微生物方面的細(xì)胞亞群參與的層次是什么?

回答這些問題可能會(huì)使我們有一種新的思路來思考未來如何根據(jù)不同的細(xì)胞亞群設(shè)計(jì)治療方案辽聊。

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