临床和动物研究表明，肠道菌群紊乱通过微生物-肠-脑轴影响神经功能和行为，并可能参与多种脑部疾病的发生。然而，肠道微生物如何调节神经系统活动仍不清楚。近期由重庆医科大学附属第一医院谢鹏团队发布于Molecular Psychiatry(IF:13.437)的一篇文章“The gut microbiome modulates the transformation of microglial subtypes”。

文章使用snRNA-seq的方法，描述来自无菌(GF)、无特定病原体(SPF)和定植GF小鼠(CGF)的前额叶皮层(PFC)和海马(Hip)的细胞特异性转录组变化。我们发现肠道菌群的缺失优先导致了小胶质细胞转录组学的改变，并可以被微生物定植有效逆转。跨物种分析显示，这些小胶质细胞亚群的转录组变化主要与阿尔茨海默病(Alzheimer ' s disease，AD)和重性抑郁障碍(major depression disorder，MDD)相关，动物行为学实验进一步支持了这一结果。总之，本研究发现肠道菌群可调节小胶质细胞亚型的相互转化，为AD和MDD发病机制寻求新的治疗方向。

肠道菌群的缺失改变了Hip和PFC中胶质细胞的比例

图1a显示了海马和前额叶皮层的sn-RNA-seq分析流程。我们对Hip和PFC中的兴奋性神经元，中间神经元，少突胶质细胞，OPC，小胶质细胞和星形胶质细胞进行了注释(图1b，c)。

首先，计算了两个脑区主要细胞类型的比例。在Hip中，我们发现与SPF相比，GF中的小胶质细胞比例显著降低，而微生物定植未能逆转这种变化。在PFC中，GF组相对于SPF组的小胶质细胞比例呈上升趋势，并能被微生物定植所逆转(图1e)。这些结果表明，肠道菌群的存在与否主要影响Hip和PFC中胶质细胞的相对组成。

图1 肠道菌群缺失改变了Hip和PFC中小胶质细胞的比例

肠道菌群的缺失导致了小胶质细胞转录组的变化

为了进一步揭示肠道菌群调节的细胞特异性转录组变化，我们在Hip和PFC中分别鉴定了6种主要细胞类型中的DEGs(图2a，b)。据此，发现小胶质细胞在Hip和PFC中DEGs数量均为最多，表明小胶质细胞最先受到影响(图2c,d)。这些发现证明了肠道菌群引起小胶质细胞转录优先变化且具有脑区特异性。

图2 肠道菌群主要影响Hip和PFC中的小胶质细胞

肠道菌群调节小胶质细胞亚群的相互转化

在证明肠道菌群缺失主要影响小胶质细胞的基础上，为了进一步明确小胶质细胞亚群是否发生改变。我们进行了小胶质细胞再聚类分析。在Hip中，与SPF组相比，Hip_M1, M4亚群显著富集于GF组，而CGF组可以被菌群定植逆转(图3a，b)。在PFC中，PFC_M2的构成比在GF组中比SPF组高，但在CGF组下降。同时，PFC_M0在GF组中的构成比相较SPF组和CGF组显著降低(图3d，e)。这表明肠道菌群调节小胶质细胞亚群之间的转化(图3c，f)。

 

图3 肠道菌群调节小胶质细胞亚群之间的相互转化

微生物定植逆转的小胶质细胞基因与AD和MDD相关联

为了探究逆转的基因与常见神经精神疾病之间的潜在联系，使用DisGeNET数据库进行疾病富集分析。在AD中，19个小胶质细胞基因在PIGs、DAM和逆转基因之间重叠，包括Apoe、Fcer1g、C1qa、Frcls等(图4d）。

对于MDD，我们发现10个重叠基因，包括FKBP5、AUTS2、ERBB4、NEGR1等。这些结果表明微生物通过肠-脑轴调节这些关键的小胶质细胞基因可能与AD和MDD密切相关。

图4 肠道菌群调节的小胶质细胞基因与AD和MDD有关

受肠道菌群调控的小胶质细胞亚群与AD和MDD相关

最后，通过跨物种分析发现这些小胶质细胞亚群的转录组学变化与人类、小鼠和猕猴的AD和MDD高度相关(图5a)。通过OFT、Y迷宫和FST三种行为检测，三组的运动能力无差异，但会影响绝望行为以及自发交替率(图5b-d)。

图5 跨物种分析显示肠道菌群调节的小胶质细胞亚群与AD和MDD相关

结 论

利用snRNA-seq方法，发现了在缺乏肠道微生物的情况下，神经细胞类型的转录组变化。小胶质细胞及其亚群在Hip和PFC中优先受到影响。肠道菌群可能调节小胶质细胞亚型的相互转化。此外，它们的转录组变化与AD和MDD相关。本研究为深入了解肠道菌群如何影响大脑提供了单细胞转录证据，这可能有助于揭示AD和MDD的发病机制。

参考文献

Huang Y, Wu J, Zhang H, et al. The gut microbiome modulates the transformation of microglial subtypes. Mol Psychiatry. 2023 Mar 13.https://www.nature.com/articles/s41380-023-02017-y

编译作者：楠星（brainnews创作团队）

Tags： Mol Psychiatry：谢鹏团队发现肠道菌群调节小胶质细胞新机制，或与AD和抑郁症有关