線虫Caenorhabditis elegans は、宿主とマイクロバイオームの相互作用を促進する分子決定因子を調べるための強力なモデルです。本稿では、腸内細菌叢のコロニー形成における単一動物レベルのプロファイリングを、 線虫 生理学の重要な側面とともにプロファイリングするハイスループットパイプラインを提示する。
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線虫Caenorhabditis elegans は、宿主とマイクロバイオームの相互作用を促進する分子決定因子を調べるための強力なモデルです。本稿では、腸内細菌叢のコロニー形成における単一動物レベルのプロファイリングを、 線虫 生理学の重要な側面とともにプロファイリングするハイスループットパイプラインを提示する。
腸内細菌叢の構成は、動物の発育と生涯を通じて宿主の生理機能に劇的な影響を与える可能性があります。マイクロバイオームの組成変化を測定することは、これらの生理学的変化の間の機能的関係を特定する上で非常に重要です。 線虫Caenorhabditis elegans は、宿主とマイクロバイオームの相互作用の分子的要因を調べるための強力な宿主系として浮上しています。透明なボディプランと蛍光タグ付き天然微生物により、個々の C.エレガンス 動物の腸内細菌叢内の微生物の相対レベルは、大型粒子選別機を使用して簡単に定量化できます。ここでは、マイクロバイオームの実験セットアップ、目的のライフステージにおける 線虫 集団の収集と分析、ソーターの操作と保守、および得られたデータセットの統計分析の手順について説明します。また、対象微生物に基づいて選別機の設定を最適化するための考慮事項、 線虫 のライフステージに対する効果的なゲーティング戦略の開発、および腸内細菌叢の構成に基づいて動物集団を豊かにするために選別機機能を利用する方法についても説明します。プロトコルの一部として、高スループットアプリケーションへのスケーラビリティの可能性など、潜在的なアプリケーションの例を示します。
動物の進化は絶え間ない微生物の影響下にある1.動物の宿主は、環境中の多様な微生物から、宿主の能力を拡張し、その生理機能や病気に対する感受性を駆動する特定のパートナー2を獲得します3。例えば、腸内細菌叢のメタゲノム解析により、肥満マウスにおいて、より大きなエネルギー収穫と貯蔵をもたらす可能性のある微生物遺伝子の代謝クラスが濃縮されていることが明らかになり4、その多くはヒトの腸内細菌叢にも見られます5。因果関係を確立し、マイクロバイオームの影響の分子決定要因を特定する必要性は依然として高いが、マイクロバイオームの複雑さと大規模なスクリーニングに対する宿主システムの扱いやすさによって進歩が妨げられている。
モデル生物であるC.エレガンスは、マイクロバイオームと宿主の生理機能との関連性に関する分子的理解を深めるためのプラットフォームを提供します。C.エレガンスは、粘膜層と絨毛構造を持つ20個の腸細胞を持っています。これらの細胞は、微生物産物を感知し、腸内コロニー形成体を調節する可能性のある抗菌分子を産生する豊富な化学受容体遺伝子を備えています6,7。線虫のこの保存された生物学は、インスリンシグナル伝達、TGF-β、MAPキナーゼ8,9,10など、腸内細菌を調節する宿主シグナル伝達の膨大な数の発見につながりました。
線虫は、発生中の成長のための食事として微生物を利用し、成体としてのマイクロバイオームの両方を利用します。老齢に伴い、一部の微生物が腸管腔に過剰に蓄積し、宿主と微生物の関係が共生から病因へと移行する11。自然の生息地では、C.エレガンスはさまざまな細菌種に遭遇します12,13。自然の生息地(腐った果実、植物の茎、動物媒介動物)で採取された代表的なサンプルから16S rDNAの塩基配列を解読したところ、線虫の自然なマイクロバイオームは、プロテオバクテリア、バクテロイデス、ファーミキューテス、放線菌の4つの細菌門によって支配されていることが明らかになりました。これらの区分の中には、生息地に基づくバクテリアの多様性と豊富さの大きなばらつきがあります12,13,14,15。C.エレガンス研究コミュニティのために作成された上位のマイクロバイオーム属を代表する63メンバー(BIGbio)16および12メンバー(CeMbio)コレクション17など、いくつかの定義されたコミュニティが確立されています。マイクロバイオームと成分株の両方が、体の大きさ、成長率、ストレス反応など、線虫の生理機能に多様な影響を与える可能性があります9,16,17。これらの研究は、線虫群をマイクロバイオーム研究のモデルとして確立するためのリソースと例を提供します。
ここでは、C.エレガンスシステムを利用して、マイクロバイオームの組成と宿主の生理学の基本的な測定値を集団スケールで同時に測定する、大型粒子選別機(LPS)ベースのワークフロー(図1)を紹介します。微生物側から見ると、ワークフローは適応性があり、定義されたマイクロバイオームまたは単一の微生物を組み立てて、微生物の相互作用が増加しているコミュニティの頑健性と可塑性をテストします。宿主側から見ると、このワークフローにより、マイクロバイオーム内の蛍光微生物のコロニー形成レベルを測定し、発生、体の大きさ、生殖の観点から宿主の生理学的読み出しを行うハイスループットアッセイが可能になります。まとめると、C.エレガンスマイクロバイオームモデルにより、宿主の生理機能を調節する代謝および遺伝的決定要因を特定するためのハイスループットスクリーニングが可能になります。
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1. マイクロバイオーム混合物の調製
2. マイクロバイオーム上での増殖のための同期線 虫 の調製
3. 腸内細菌叢解析のための線虫集団の収集
4. 大型粒子選別機とオートサンプラーのセットアップ
5. 線虫 の特徴と腸内細菌叢の解析
6. 腸内細菌叢による 線虫 動物の選別
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成虫と幼虫の個体群ゲートの定義
ここでは、標準的な実験室用飼料である大腸菌OP50(Eco)を播種したNGMプレート上で、同期したC.エレガンスL1を増殖させました。C.エレガンスの個体群は、20°Cで96時間または120時間増殖した後、LPS分析のために収集されました(図2A)。絶滅(EXT、体密度のプロキシ)と飛行時間(TOF、体長のプロキシ)のドットプロットは、視覚的に分離された2つの動物の雲を作成します。各ドットは、幼虫と比較して成虫のEXT値とTOF値が高い1匹の動物を表しています(図2B)。これら2つのパラメータは、個体数増加と生理学に関する貴重な推論です。例えば、幼虫のTOFの密度プロットは、幼虫期の分布を可視化することができます。生後2日の成体の子孫は、TOFが200未満のL1およびL2ステージが優勢であったが、3日齢の成体のほとんどの子孫はL3およびL4ステージに達した(
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フローバーミメトリーは、いくつかの研究で病原体のコロニー形成と毒性に対するC.エレガンスの遺伝子と経路を特徴付けるために使用されています21,22。ここでは、C.エレガンスを用いて腸内細菌叢が宿主の生理機能をどのように調節するかを調査するハイスループットで従順なアプローチを紹介します。コロニー形成単位(CFU)または16S rRNAアンプリコンシーケンシング9,16,17,23,24を使用する既存の方法と比較して、このアプローチは労働集約的なカウントを必要とせず、潜在的なPCRバイアスを導入しません。このアプローチでは、集団全体のマイクロバイオームを測定するだけで...
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著者は、宣言すべき利益相反を持っていません。
この研究は、NIHの助成金DP2DK116645(B.S.S.)、Dunn Foundationパイロット賞、NASAの助成金80NSSC22K0250(B.S.S.)の支援を受けました。このプロジェクトは、ベイラー医科大学のサイトメトリーおよびセルソーティングコアの支援も受けており、CPRIT Core Facility Support Award(CPRIT-RP180672)、NIH(S10 OD025251、CA125123、およびRR024574)、Joel M. Sederstromの支援、およびLPS NIH助成金(S10 OD025251)の機器助成金から資金提供を受けました。一部の株は、NIH Office of Research Infrastructure Programs(P40 OD010440)から資金提供を受けているCGCによって提供されました。
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| Name | Company | Catalog Number | Comments |
|---|---|---|---|
| 15 mL 円錐底遠心チューブ | VWR | 10026-076 | |
| 96 ディープウェルプレート (1 mL) | Axygen | P-DW-11-C | |
| 96 ディープウェルプレート (2 mL) | Axygen | P-DW-20-C | |
| 96 ウェル Costar プレート | Corning | 3694 | |
| 寒天 | ミリポア シグマ | 標準細菌学寒天培地も十分です。 | |
| 吸引マニホールド | V&P scientific | VP1171A | |
| 漂白剤 | クロロックス | ||
| 漂白剤溶液 | 漂白剤と5M次亜塩素酸ナトリウムを混ぜる 2:1 (v/v) | ||
| 細胞イメージング マルチモードリーダー | Biotek | Cytation 5 | 細菌外径測定 |
| 遠心分離機 | Thermo scientific | Sorvall Legend XTR | 96ウェルプレートおよびコニカルチューブ用 |
| 蛍光顕微鏡 | ニコンTiE | ||
| ggplot:データをプロットするためのさまざまなRプログラミングツール。 | Rパッケージ | バージョン3.3.2 | |
| 大粒子オートサンプラー | ユニオンバイオメトリカ | LPサンプラー | |
| 大粒子ソーター | ユニオンバイオメトリカ | COPASバイオソーター | |
| レバミソール | フィッシャー | AC187870100 | |
| リゾジェニーブロス(LB) | RPI | L24066 | バクトトリプトン、酵母エキス、NaClを使用した標準LB自家製レシピもご用意しています足りる。 |
| M9ソリューション | 22 mM KH2PO4 一塩基性、42.3 mM Na2HPO4、85.6 mM NaCl、1 mM MgSO4 | ||
| 線虫増殖培地 | RPI | N81800-1000.0 | 1 mM CaCl2、25 mM KPO4 pH 6.0、オートクレーブ後に 1 mM MgSO4 を添加。 |
| RStudio | GNU | バージョン 1.3.1093 | |
| 次亜塩素酸ナトリウム | Sigma-Aldrich | 5M NaOH | |
| 実体顕微鏡 | Nikon | SMZ745 | |
| 滅菌直径 10 cm シャーレ | コーニング | 351029 | |
| 滅菌済み 12 ウェルプレート | VWR | 10062-894 | |
| 滅菌済み 24 ウェルプレート | VWR | 10062-896 | |
| 滅菌直径6cmのシャーレ | Corning | 351007 | |
| Triton X-100 | Sigma-Aldrich | T8787 |
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