Nat Biotechnol | 郭春君团队开发非模式肠道梭菌遗传工具，实现微生物代谢功能体内可逆调控

肠道微生物群在宿主营养代谢、免疫稳态和疾病发生发展中发挥重要作用。近年来，宏基因组学和代谢组学技术的发展使大量与宿主健康相关的肠道微生物及其代谢功能得到鉴定。然而，肠道菌群中大量非模式细菌仍缺乏成熟的遗传操作工具，限制了研究人员对特定微生物基因和代谢功能进行精准操纵，也使得从微生物组关联研究到进一步建立微生物功能与宿主表型之间的因果关系面临挑战。

肠道梭菌（Clostridia），广泛存在于哺乳动物肠道中，并参与多种重要的代谢过程，但由于不同菌种之间遗传背景差异较大，目前仍缺乏能够在多种肠道梭菌中通用的遗传操作体系。因此，建立具有广泛适用性的遗传工具，对于解析这些非模式肠道菌的功能及其与宿主之间的相互作用具有重要意义。

2026年8月25日，美国康奈尔大学威尔康奈尔医学院（Weill Cornell Medicine, Cornell University）郭春君研究团队（第一作者为李婷婷，陈茜博士）在Nature Biotechnology在线发表题为Transferable genetic toolsets for nonmodel gut Clostridia enable in vivo reversible control of metabolite production的研究论文。该研究开发了一套可在多种非模式肠道梭菌中应用的遗传工具体系，并进一步利用这些工具实现了微生物代谢物产生的体内可逆调控，为研究非模式肠道菌的基因功能、代谢活动及其宿主效应提供了新的技术平台。

图：开发非模式肠道梭菌遗传工具，实现微生物代谢功能体内可逆调控（图由AI 辅助生成）

首先，李婷婷等人结合人群肠道菌群的宏基因组和宏转录组数据，系统挖掘具有潜在高转录活性的启动子，并利用基于NanoLuc 荧光素酶（NanoLuc luciferase） 的高通量筛选平台，对候选启动子进行功能验证。研究人员筛选获得了一系列具有较强活性的组成型启动子，并挑选代表性启动子在系统发育关系不同的多种肠道梭菌中进行验证，发现启动子能够在不同菌株中保持稳定且一致的表达活性。进一步通过启动子序列分析和功能验证，研究团队鉴定了启动子的核心区域，并据此设计了长度更短、更加模块化的启动子元件，在保持较高表达活性的同时，为后续构建可迁移的遗传工具体系提供了基础。

在此基础上，作者进一步开发并优化了基于aTC-TetR 的诱导型基因表达系统。通过调节TetR表达水平并优化Tet操纵子组合，研究人员建立了能够响应不同浓度anhydrotetracycline（aTC）的可调控表达系统，并利用NanoLuc作为报告基因对其表达特性进行了系统表征。该系统在多种不同的肠道梭菌中均能够实现低背景、高动态范围的诱导表达，并在人源临床肠道梭菌分离株中得到验证，显示出良好的菌种适用性和可迁移性。进一步地，研究人员将该系统应用于小鼠肠道定植模型，通过给予或撤除aTC，实现了工程化肠道梭菌报告基因表达的体内诱导和可逆调控，进一步验证了该诱导系统在宿主肠道环境中的可行性和可控性。

随后，研究团队将建立的诱导型表达系统进一步与多种小型CRISPR–Cas基因编辑系统相结合，建立适用于非模式肠道梭菌的基因敲除平台。研究人员利用小型Cas蛋白降低遗传系统的载体负担，并在不同系统发育背景的肠道梭菌中验证其基因编辑能力，实现了目标基因的定向编辑。该策略进一步拓展了遗传工具体系的应用范围，使研究人员能够从基因层面直接解析非模式肠道菌的功能。

最后，研究团队进一步将上述遗传工具应用于肠道微生物代谢功能的精准调控，以三甲胺（TMA）和脱氧胆酸（DCA）为代表性代谢物，将相关代谢基因置于诱导型表达系统控制下，实现了对微生物代谢物产生的靶向调节。研究人员分别在体外培养体系、小鼠单菌定植模型以及复杂人源菌群背景下验证了这一策略，证明通过调节外源诱导剂，可以对特定微生物代谢功能进行精准、动态和可逆的体内控制。

综上所述，郭春君研究团队开发了一套具有可迁移性的非模式肠道梭菌遗传工具体系，实现了基因表达精准调控和CRISPR介导的基因组编辑，并进一步利用诱导型表达工具实现了微生物代谢物产生的体内可逆调控。该研究系统拓展了可用于非模式肠道梭菌的遗传工具，为从基因和功能层面解析微生物与宿主之间的因果关系提供了新的技术手段，并为进一步利用合成生物学手段研究和工程化肠道微生物奠定了技术基础。

https://www.nature.com/articles/s41587-026-03269-z

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