原位宿主-微生物的空间代谢组学微米尺度的相互作用(IF=14.3)

代谢组学文献分享，几乎每个生物样本·都有共生菌，你想知道哪些代谢物在菌和宿主间起了作用吗？

质谱成像技术（mass spectrometry imaging, MSI）结合质谱分析和影像可视化，凭借其样本处理简单、能反应多种分子在空间上的分布及分子结构信息而受到高度的关注。空间代谢组学描述了自然界中参与代谢表型，防御分子和化学相互作用的小分子的位置和化学性质。代谢组学文献分享，当前大多数技术无法将宿主与微生物相互作用在空间上显示出来。

在这里，我们介绍了一个空间代谢组学研究方式（metaFISH），它结合了荧光原位杂交（FISH）显微镜技术和高分辨率大气压基质辅助激光解吸/电离质谱技术来成像宿主-微生物共生体及其代谢相互作用。

样本：组织切片后的腐烂芽孢杆菌标本

图1

AP-MALDI-MSI和FISH在同一组织中的应用可改善空间代谢组学微生物学，可共同鉴定代谢物、宿主与微生物相互作用相关的系统表型（图1a）。为了分析相关的荧光和代谢物图像，我们开发了一种基于FISH的空间代谢组别方法，命名为metaFISH。代谢组学文献分享，我们的metaFISH包含以下三个模块：（1）示例准备和成像（图1a，b）；（2）相关处理成像数据（图1c-f）；（3）使用荧光信号将代谢物分组（图1g和2c）。我们的检测提供相关值（metaFISH比率）表明哪些代谢产物来自宿主或共生菌的那些部位。我们使用这些宿主和共生体分配值来解释通过分子网络可视化的化学空间并指导液相色谱与串联质谱（LC–MS / MS）测量以验证AP-MALDI-MSI数据中注释的代谢物（图1g，h）。

图2

丝长区域覆盖品红色的MOX（共生细胞），黄色的SOX（间细胞）和青色的宿主核的DNA染色的FISH图像，使用AP-MALDI-MSI成像的三种不同分布的代谢物的叠加热图。代谢组学文献分享，品红，35-氨基细菌胆碱-32,33,34-三醇（ABHTr）；黄色，膦酰基乙醇胺神经酰胺PnE-Cer（34：2）；青色，磷脂酰胆碱PC（32：1）（图2b–f），像素大小为3μm的高分辨率AP-MALDI-MSI无法更小尺度的解析细菌细胞（〜1μm），但可以区分相同的宿主（图2j–o）和共生体（图2p–r）代谢物细菌细胞。 由于较低MSI分辨率上限为3μm，我们无法从统计学上分离两种共生系统型的亚细胞代谢组。然而，使用FISH显微镜，我们可以可视化系统型组成每个细菌细胞群落的组成，并解释共享的宿主及其内共生体的代谢组（图2d–r）。

图3

代谢物检测了有细菌和无细菌的组织区域。代谢组学文献分享，metaFISH揭示了代谢组的空间划分进入细菌定殖和无细菌的亚代谢产物组织。我们对所有分子分布进行了分组将（图2g）分为七个具有不同生化特征的簇（图3a，d）。根据对齐的成像数据集，我们通过计算代谢物丰度，面积和重叠的荧光信号强度和面积MF比率作为指标簇是否与无细菌组织或含有共生细菌（图3b）。我们使用了基于灰度值的图像分割描绘宿主和共生体的明场和荧光显微镜信号。我们的metaFISH分析发现了三个与宿主相关的（MF比率<1）和四个与共生体相关的（MF比率> 1）亚代谢物。

图4

我们发现氨基细菌胆碱-三醇和氨基细菌类四萜（图4b–d），尽管它们之间的化学差异很小，只有一个羟基。代谢组学文献分享，两种类胡萝卜素均散布分布，氨基细菌类戊四醇位于外边缘，而氨基细菌类三醇三醇集中在中心的单个细菌细胞中（图4b-d）。已知微生物群落会在不同梯度的含氧量上改变其类胡萝卜素组成。因此，从边缘到中心，两个类的相对丰度（图4e）的逐渐变化可能反映了细胞内MOX共生体对这种微观梯度的表型适应。利用我们的相关成像技术，我们可以显示单个共生系统型表达了不同的类型表型，并且这些表型在组织内显示出不同的代谢分布。因此metaFISH可以检测生物标志物分子分布中表型异质性的存在。

参考文献：

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