肠道微生物群调节帕金森病模型中的运动性缺陷和神经炎症

Gut Microbiota Regulate Motor Deficits and Neuroinflammation in a Model of Parkinson’s Disease

Cell, [36.216]

2016-12-01  Article

DOI: https://doi.org/10.1016/j.cell.2016.11.018

全文可开放获取 https://www.cell.com/action/showPdf?pii=S0092-8674%2816%2931590-2

第一作者：Timothy R. Sampson,^1,*

通讯作者：Timothy R. Sampson,^1,* Sarkis K. Mazmanian^1,10,*

其它作者：Justine W. Debelius,2 Taren Thron,1 Stefan Janssen,2 Gauri G. Shastri,1 Zehra Esra Ilhan,3
Collin Challis,1 Catherine E. Schretter,1 Sandra Rocha,4 Viviana Gradinaru,1 Marie-Francoise Chesselet,5
Ali Keshavarzian,6 Kathleen M. Shannon,7,9 Rosa Krajmalnik-Brown,3 Pernilla Wittung-Stafshede,4 Rob Knight,2,8

作者单位：

¹ 加利福尼亚理工学院生物与生物工程系，帕萨迪纳，CA 91125，USA (Division of Biology & Biological Engineering, California Institute of Technology, Pasadena, CA 91125, USA)

¹⁰ 主要通讯(Lead Contact)

^* trsamps@caltech.edu (T.R.S.), sarkis@caltech.edu (S.K.M.)

日报

Cell：肠道菌群是如何促进帕金森病的？

创作：蓝灿辉 审核：蓝灿辉 2017年01月01日

1. 共核蛋白病以α-突触核蛋白(αSyn)聚集为特征，造成帕金森病等运动功能障碍；
2. 利用过表达αSyn小鼠，发现肠道菌群参与运动障碍、小胶质细胞激活和αSyn相关病理生理学；
3. 抗生素处理会改善、而微生物的重新定殖会促进成年动物病理生理学，肠道和大脑间的信号调节疾病轻重；
4. 给无菌小鼠口服特定微生物代谢产物，促进神经炎症和运动障碍；
5. 将帕金森病人肠道菌群移植到αSyn过表达小鼠，物理损伤会增强。

主编评语：Cell上一篇重量级的肠道菌群文献，介绍肠道菌群调节帕金森病小鼠模型的运动障碍和神经炎症，非常非常重量级，强烈推荐。本文有微生物组领域方向第一大神Rob Knight参与，同时数据入选QIIME 2的官方教程作为学习材料。

亮点

• 肠道微生物促进α-突触核蛋白介导的运动缺陷和脑病理学

• 肠道细菌的消耗减少了小胶质细胞的活化

• SCFAs调节小胶质细胞并增强PD病理生理学

• 来自PD患者的人肠道微生物群在小鼠中诱导增强运动功能障碍

摘要

肠道微生物群影响神经发育、调节行为，并导致神经系统疾病。然而，肠道细菌和神经退行性疾病之间的功能联系仍未得到探索。突触核蛋白病的特征在于蛋白质α-突触核蛋白（αSyn）的聚集，通常导致运动功能障碍，例如帕金森氏病（Parkinson’s Disease，PD）。使用过表达αSyn的小鼠，我们在此报告肠道微生物群是运动缺陷、小胶质细胞激活和αSyn病理学所必需的。抗生素治疗改善、而微生物再定植促进成年动物的病理生理学，表明肠和大脑之间的出生后信号传导调节疾病。实际上，向无菌小鼠口服特定的微生物代谢物会促进神经炎症和运动症状。值得注意的是，与来自健康人类供体的微生物群移植相比，来自PD患者的微生物群在αSyn过表达小鼠中定殖增强了身体损伤。这些发现揭示肠道细菌可调节小鼠的运动障碍，并表明人类微生物组的改变是PD的危险因素。

图形摘要

结果

图1. 肠道微生物促进运动和胃肠功能障碍

Figure 1. Gut Microbes Promote Motor and Gastrointestinal Dysfunction

（A）横穿光束装置的时间。
（B）下降极点的时间。
（C）从鼻梁上除去粘合剂的时间。
（D）后肢扣紧反射评分。
（E）15分钟内新环境中粪便排出的时间过程。
（F）15分钟内产生的总粪便颗粒。
在12-13周龄时测试动物。 n = 4-6，误差棒代表每只动物三次试验的平均值和标准误差。 数据代表两个实验。 p≤0.05; p≤0.01; p≤0.001; **p≤0.0001。 缩写：SPF，无特定病原体; GF，无菌; WT，野生型; ASO，Thy1-α-突触核蛋白基因型。更多信息见附图1。

图2. 在携带肠道微生物的小鼠中αSyn病理状态严重

Figure 2. αSyn Pathology Is Increased in Mice Harboring a Gut Microbiota

（A）来自SPF-ASO或GF-ASO动物的caudoputamen（CP）的代表性图像用聚集特异性αSyn抗体（红色），Phospho-Ser129-αSyn抗体（绿色）和Neurotrace / Nissl（蓝色）染色。
（B）来自SPF-ASO或GF-ASO动物的黑质（SN）的代表性图像，如上染色。
（C）用抗αSyn抗体免疫染色的triton可溶性和不溶性脑匀浆的代表性蛋白质印迹。
（D和E）抗αSyn蛋白质印迹的密度测定法定量（D）所有αSyn和（E）不溶性与可溶性αSyn染色的比率。
（F）CP或下中脑（人中）中人αSyn的qRT-PCR分析。
（G）来自CP或下中脑（Mid）的匀浆中存在的总αSyn的ELISA分析。
在12-13周龄时从小鼠收集的组织。 n = 3-4，误差条代表平均值和标准误差。 p≤0.05; p≤0.01; p≤0.001。缩写：SPF，无特定病原体; GF，无菌; WT，野生型; ASO，Thy1-α-突触核蛋白基因型。更多信息见附图2。

图3. 微生物群激活αSyn依赖性小胶质细胞

Figure 3. αSyn-Dependent Microglia Activation by the Microbiota

（A）驻留在SPF-WT，SPF-ASO，GF-WT和GF-ASO动物的尾壳核（caudoputamen，CP）中的Iba1染色小胶质细胞的代表性3D重建。
（B）CP驻留小胶质细胞参数直径，分支点数和总分支长度。
（C）黑质（Substantia nigra, SN） - 常驻小胶质细胞参数直径，分支点数和总分支长度。
（D）来自CP的匀浆中存在的TNF-α和IL-6的ELISA分析。
（E）来自下中脑（Mid）的匀浆中存在的TNF-α和IL-6的ELISA分析。
（F）来自tnfa和il6的脑匀浆的CD11b+细胞的qPCR分析。
（G）位于额叶皮层（frontal cortex, FC）或小脑（cerebellum, CB）的小胶质细胞直径。
（H）来自FC或CB的匀浆中存在的TNF-α的ELISA分析。
在12-13周龄时从小鼠收集的组织。 n = 3-4（每只动物每个区域分析20-60个细胞）;误差条表示平均值和标准误差。 p≤0.05; p≤0.01; p≤0.001; **p≤0.0001。缩写：SPF，无特定病原体; GF，无菌; WT，野生型; ASO，Thy1-α-突触核蛋白基因型。更多信息见附图2。

图4. 产后微生物信号促进运动和胃肠功能障碍

Figure 4. Postnatal Microbial Signals Promote Motor and Gastrointestinal Dysfunction

（A）动物治疗和测试的时间过程模式图。
（B）横穿光束装置的时间。
（C）下降极点的时间。
（D）去除鼻粘合剂的时间。
（E）后肢(Hindlimb)扣紧反射评分。
（F）15分钟内新环境中粪便排出的时间过程。
（G）15分钟内产生的总粪便颗粒。
（H）存在于Abx-ASO或Ex-GF-ASO动物的尾壳核（CP）中的Iba1染色的小胶质细胞的代表性3D重建。
（I）居住在CP或黑质（SN）中的小胶质细胞的直径。
在12-13周龄时测试动物。 n = 6-12;误差棒表示每只动物3次试验的平均值和标准误差，并且分析了2个独立队列或每个区域20-60个小胶质细胞。 ＃0.05 <p <0.1; p≤0.05; p≤0.01; p≤0.001; **p≤0.0001。缩写：SPF，无特定病原体; GF，无菌; Abx，抗生素治疗; Ex-GF，重新定殖的无菌动物; WT，野生型; ASO，Thy1-α-突触核蛋白基因型。更多信息见附图3。

图5. SCFAs促进αSyn刺激的小胶质细胞激活和运动功能障碍

Figure 5. SCFAs Promote αSyn-Stimulated Microglia Activation and Motor Dysfunction

（A）存在于野生型或ASO SCFA处理的动物的尾壳核（caudoputamen, CP）中的Iba1染色的小胶质细胞的代表性3D重建。

（B）驻留在CP或黑质（SN）中的小胶质细胞的直径。

（C）横穿光束装置的时间。

（D）下降极点的时间。

（E）去除鼻粘合剂的时间。

（F）后肢扣紧反射评分。

（G）15分钟内新环境中粪便排出的时间过程。

（H）15分钟内产生的总粪便颗粒。

在12-13周龄时测试动物。 n = 6-12，误差条表示每只动物3次试验的平均值和标准误差，并且分析了2个独立群组或每个区域20-60个小胶质细胞。 为清楚起见，用图4中的对照绘制数据。 p≤0.05; p≤0.01; p≤0.001; **p≤0.0001。 缩写：SPF，无特定病原体; GF，无菌; SCFA，短链脂肪酸处理; WT，野生型; ASO，Thy1-α-突触核蛋白基因型。 更多信息见附图3，4和5。

图6. 移植到无菌小鼠后PD患者样品的微生物组失衡

Figure 6. Microbiome Dysbiosis of PD Patient Samples after Transplant into Germ-free Mice

（A）未加权的UniFrac主坐标分析人类供体（大圆圈）和受体小鼠（小圆圈）的微生物群落。每个供体和受体样品通过颜色匹配。

（B）基于供体身份的受体动物微生物群落的未加权和加权UniFrac分析。

（C）基于小鼠基因型的受体动物微生物群落的未加权和加权UniFrac分析。

（D）受体动物微生物群落的未加权和加权UniFrac分析的比较。

（E）作为受体小鼠基因型的功能，PD和健康供体之间改变的个体属的分类水平分析。左栏表示观察到显着差异的百分比; 右栏表示PD与健康供体之间的倍数变化。浅色表示非统计学上显着的差异。

n = 3-6，定植后超过3个时间点。误差线表示平均值和标准误差。 *p≤0.001, 999次转换检验。缩写：HC，无菌小鼠，定植于来自健康对照的粪便微生物; PD，无菌小鼠定植于帕金森病患者的粪便微生物; WT，野生型; ASO，Thy1-α-突触核蛋白基因型。更多信息见附图6。

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