Spatial and temporal features of the growth of a bacterial species colonizing the zebrafish gut

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Jemielita M, Taormina MJ, Burns AR, Hampton JS, Rolig AS, Guillemin K, Parthasarathy R.

mBio. 2014 Dec 16;5(6):e01751-14.

doi: 10.1128/mBio.01751-14. PMID: 25516613; PMCID: PMC4271548.

Spatial and Temporal Features of the Growth of a Bacterial Species Colonizing the Zebrafish Gut | mBio
Our intestines are home to vast numbers of microbes that influence many aspects of health and disease. Though we now know a great deal about the constituents of...

 近年、ヒトや他の動物に関連する微生物群集の研究は、発生、複雑な疾患、そして幅広い生理機能の理解に変化をもたらしている。しかし、これらの新しい知見は、微生物群集の形成に関する不可解な疑問をもたらしている。個体間で観察される群集構成の大きなばらつきは何が駆動しているのか?個体群動態は微生物種で決まっているのか、それともその空間構造や他の種の存在などに依存するものなのか?より広い意味では、どのようにして腸の生態系をモデル化できるのだろうか?微生物の成長速度と成長モードを理解することは、宿主-微生物システムの予測モデルに必要な要素である。しかしこのような動態は、従来のアプローチではほとんど不明瞭である。現在のところ、共生微生物群集の構成を特徴づけるためにハイスループットシーケンシングに頼っている。このようなメタゲノムアプローチは強力ではあるが、空間的にも時間的にも粗い情報である。微生物の集団がどのように形成され、どのように分布しているのか、特に微生物の細胞分裂や移動などのダイナミックなプロセスに見合った時間スケールでどのように分布しているのかについて、ほとんど知られていない。

 マイクロバイオームの動態を理解するために、我々はゼブラフィッシュ幼魚を使用している。ヒトや他の動物と同様に、ゼブラフィッシュにも多数の多様な腸内微生物群集が存在し、その存在は免疫機能、上皮細胞の分化、その他のプロセスに影響を与えている。ゼブラフィッシュ幼魚は透明であり、蛍光タンパク質を発現する腸内細菌をもちいることで、腸内細菌叢のライブイメージングを伴う制御実験が可能である。マウスのような他の腸内細菌モデル生物では、腸内容物を調べるには、解剖により単一時間点のデータを得るか、腸内容物に近いものとして糞便サンプルを扱うかしかできない。一方ゼブラフィッシュでは、消化管の微生物の空間的・時間的特性を生体内でモニターできる。Aeromonas veroniiはゼブラフィッシュ腸内に自然に存在する微生物であり、ゼブラフィッシュの腸内群集を数的に支配している。A. veroniiはゼブラフィッシュ腸内によく定着する。またA. veroniiを定着させることは、無菌ゼブラフィッシュの形質を回復させるのに十分であることがわかっている。

 ゼブラフィッシュ幼魚腸の長さ、頻繁な蠕動運動、細菌の高速な運動、微生物のコロニー形成にかかる時間は、ライブイメージングを難しくしている。我々は、光シート蛍光顕微鏡(selective plane illumination microscopy [SPIM]としても知られている)を使用してこれらの問題を克服している。SPIMを用いることで、ゼブラフィッシュ腸の初期の微生物コロニー化期における細菌集団の空間分布をマッピングしながら、単一の微生物から数万個までの範囲で定量化することができる。さらに、我々は、離散的な個々の細菌と多細胞クラスターの両方を区別し、また、これらの2つのサブ集団の成長のダイナミクスを測定することができる。

 その結果、A. veroniiはゼブラフィッシュ腸内での初期コロニー化の過程で、資源が限られた環境下での成長に特徴的な個体数の増加を示したが、細菌群が個々の細菌よりもかなり高い成長率を示すことがわかった。細菌群の増殖は表面的なものではなく、クラスター化された微生物の分裂率が高いことが明らかになった。さらに、微生物は腸内にランダムに分布しているのではなく、特定の領域に優先的に局在していることが明らかになった。

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