【原】Nature：“脑肠轴”新机制——肠道微生物代谢物通过调控少突胶质细胞影响焦虑样行为

brainnews 2022-02-21

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来自环境的感觉和分子输入的整合塑造动物的行为。胃肠道是接触环境分子的主要部位，其中膳食成分被微生物群化学转化，肠道衍生的代谢物（gut-derived metabolites）传播到身体的各个器官，包括大脑。

在小鼠中，肠道微生物能影响行为，调节肠道和大脑中神经递质的产生，并影响大脑发育和髓鞘化（myelination）模式。虽然肠脑交流广泛涉及到体液或神经元连接，但是具体机制仍不清楚。

已有研究表明，在非典型神经发育的小鼠模型中，微生物代谢物4-乙基苯基硫酸盐（4-ethyphenyl sulfate，4EPS）水平增加。在本文中，作者鉴定出能够介导膳食酪氨酸转化为4-乙基苯酚（4EP）的生物合成基因，同时利用生物工程肠道细菌选择性地产生4EPS。4EPS能进入大脑并与脑区特异性活性和功能连接改变有关。

基因表达图谱表明，4EPS能改变大脑中少突胶质细胞功能，并且损害少突胶质细胞的成熟和减低少突胶质细胞-神经元交流。移植能产生4EP细菌的小鼠表现出神经元轴突髓鞘化减少，而脑中髓鞘化动力学改变与行为输出密切相关。

据此，作者研究发现暴露于4EPS的小鼠表现出焦虑样行为，而通过使用促进少突胶质细胞分化的药理学治疗能够阻断4EPS的作用。

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据报道，肠道微生物组含有将酪氨酸（酪氨酸是一些哺乳动物神经递质的来源）转化为4EP的基因，然后宿主将4EP硫酸化成为4EPS[Fig.1a]。厚壁菌门（Firmicutes phylum）中的一些稀有细菌物种使用对香豆素酸（ρ-coumaric acid）作为底物来产生4EP，通过筛选肠道细菌分离株，作者发现卵形拟杆菌（B. ovatus）从酪氨酸中产生对香豆素酸[Fig.1b]。

但由于无菌小鼠中共同移植B. ovatus和 Lactobacillus plantarum后（后者的作用是将对香豆素酸转化为4EP），在尿液中检测到4EPS含量很少，于是作者采用基因工程技术改良得到工程性B. ovatus菌株MFA05，其能将酪氨酸稳定的转化为4-乙烯基苯酚，并且与共培养后，4-乙烯基苯酚被定量代谢为4EP[Fig.1d]。

作者利用工程菌移植到无菌小鼠中以此产生4EP⁺鼠和4EP^-鼠。研究发现，在4EP⁺鼠的粪便中检测到4EP，在血清和尿液中检测到4EPS。而4EP^-鼠则几乎检测不到4EP或4EPS[Fig.1e,f]。用丙磺舒处理的4EP⁺鼠的大脑中可检测到4EPS，说明4EPS在大脑中积累[Fig.1g]。

Figure 1

作者使用功能超声成像技术发现4EP⁺小鼠内信号模式的相关性改变（大部分是增加）[Fig.2a]。这些变化主要发生于海马、丘脑、杏仁核、下丘脑、梨状体（piriform）和皮层[Fig.2b]。

接着，利用放射性标记示踪剂（[¹⁴C2-脱氧核糖（2DG）]），比较4EP⁺小鼠和4EP^-小鼠的脑切片的放射自显影分析评估脑活性的改变，结果发现4EP(S)与下丘脑（前区、外侧和室旁核）、杏仁核（前区、基地外侧、中央和皮质）以及终纹状体（BNST）亚区的葡萄糖摄取增加有关，以及丘脑的室旁核（PVT）[Fig.2c、d]。

Figure 2

使用RNA sequencing发现，4EP(S)主要影响PVT、BNST和基底外侧杏仁核中的全基因表达，程度较小[Fig.3a]。细胞特异性富集分析发现，4EP⁺小鼠的PVT中神经元、新形成的少突胶质细胞和成熟少突胶质细胞的基因表达降低[Fig.3b]，表明暴露于4EP(S)后与这些细胞类型的发育、丰度和活性有关。

同时，4EP⁺小鼠的PVT中成熟少突胶质细胞的标志基因表达下降，而非髓鞘化少突胶质祖细胞的标志基因上升[Fig.3c]。通过免疫染色和流式细胞术，发现4EP(S)影响少突胶质细胞的成熟[Fig.3e-g]。在器官型脑片中同样得到论证[Fig.3i-k]。

Figure 3

使用电子显微镜断层扫描发现，4EP⁺小鼠大脑中无鞘膜轴突的比例显著增加且实际的髓鞘厚度降低[Fig4a-d]，这意味着4EP(S)暴露会降低大脑中的髓鞘形成频率和效率。

作者最后进一步研究暴露于4EP(S)对小鼠行为的影响，通过高架十字迷宫EPM、旷场试验、明暗箱试验和弹珠掩埋发现小鼠焦虑样行为显著增加[Fig4f-h]，而在认知和运动能力上没有影响。并且通过富马酸氯马斯汀（clemastine fumarate）（促进少突胶质细胞成熟的药物）能够逆转4EP(S)对小鼠焦虑样行为的影响[Fig4i-m]。

Figure 4

总结

总结

本研究表明，在小鼠中，肠源性分子能通过作用于大脑中的少突胶质细胞功能和髓鞘模式从而影响动物的复杂行为。未来还将进一步揭示4EPS如何影响少突胶质细胞成熟和髓鞘形成的机制，定义受到影响的脑区以及检测髓鞘改变对行为的影响。

以4EP(S)为代表的，由微生物组所产生的神经活性代谢物，是否能成为类似哺乳动物神经递质样的神经活性微生物分子，值得关注。

参考文献

Needham, B.D., Funabashi, M., Adame, M.D. et al. A gut-derived metabolite alters brain activity and anxiety behaviour in mice. Nature (2022). https:///10.1038/s41586-022-04396-8

编译作者：凌晨一点半（brainnews创作团队）

校审：Simon（brainnews编辑部）

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