产品列表PRODUCTS LIST

首页 > 技术与支持 > 浅析肠道微生物对交感神经元的调控机制
浅析肠道微生物对交感神经元的调控机制
点击次数:67 发布时间:2021-03-17

原始文献:

Muller, P.A., Schneeberger, M., Matheis, F.et al.Microbiota modulate sympathetic neurons via a gut–brain circuit.Nature583,441–446 (2020). doi.org/10.1038/s41586-

肠脑轴(gut-brain axis)在近年来是神经科学领域的一个热门课题,肠道神经系统和中枢神经系统的紧密关联,使得脑和胃肠系统能够相互影响并导致生理、行为上的变化。肠道微生物(microbiota)在脑肠轴中起着重要的作用,肠道微生物的变化能够通过脑肠轴引起宿主肠道生理乃至行为的变化,今年的Nature上就已经刊登了好几篇此领域内的文章。本文以小鼠为实验动物,重点探讨了肠道微生物对外在肠道神经元(extrinsic enteric-associated neurons,eEANs,胞体在肠道外的神经元)的调控作用。

研究人员首先通过向肠道的不同区段注射CTB(霍乱毒素β亚基,一种逆行示踪剂)来定位eEANs的胞体,然后特别分析了以下三个投射到肠道的神经节:感觉节状神经节(sensory nodose ganglion,SNG),背根神经节(dorsal root ganglia,DRG),以及交感神经腹腔-肠系膜上神经节(sympathetic coeliac-superior mesenteric ganglia,CG-SMG)。前两者被认为负责传递信息给中枢,而CG-SMG为交感神经系统的一部分,负责调控肠道的生理活动。CTB示踪胞体的结果显示出了肠道与这些神经节的一些连接特征,同时也显示肠道的不同区段是由神经节中不同的神经元群体控制的(无论是传入还是传出)。

摘自原文Fig1,用CTB示踪eEANs的胞体

研究人员接下来用TRAP-seq分析并比较了SPF小鼠(specific-pathogen-free,有肠道微生物)和无菌小鼠(germ-free,无肠道微生物)中,上述三个神经节中神经元的转录情况。TRAP(translating ribosomal affinity purification)通过杂交获得特定基因上带有RiboTag的动物,可以再通过免疫化学法纯化得到特定类型细胞内正在翻译的mRNA,这一实验中使用的是Snap25-RiboTag小鼠。分析结果显示,DRG的基因表达在两组小鼠中没有明显差别;无菌小鼠的SNG中,与突触信号和神经元活性有关的基因表达上升。更为重要的是,无菌小鼠的CG-SMG中,Fos的表达水平显著上升,而免疫荧光实验也进一步证明了Fos在无菌小鼠中的高表达。这些结果表明,肠道微生物的缺失提高了肠道交感神经的活性。

在进一步的实验中研究人员发现,将SPF小鼠的粪便移植到无菌小鼠的肠道中可以有效地抑制肠道交感神经的活性,向无菌小鼠中移植特定的细菌组合(而非单一种类的细菌)也能达到同样的效果。而给SPF小鼠喂食广谱抗生素或部分类型的抗生素也能激活肠道交感神经。为了证明这些激活的交感神经元的确投射到了肠道,研究人员向Fos-GFP小鼠的肠道中注射了CTB,小鼠服用广谱抗生素后被激活的交感神经元中,的确有一些投射到了肠道(见下图)。交感神经系统的激活会抑制胃肠系统的生理活性。服用广谱抗生素或特定类型抗生素的SPF小鼠胃肠蠕动显著减缓(transit时间增加,详细见原文的Methods),而阻断儿茶酚胺类神经递质的释放则可以逆转这一效果。这些实验结果表明一些肠道微生物可以抑制肠道交感神经元的活性,可能以此促进肠道蠕动。

摘自原文Fig2,服用广谱抗生素后小鼠肠道蠕动变缓,而用Guanethidine阻断儿茶酚胺类神经递质可以逆转这一效果;Splenda和Saline都属于对照

从上述实验中已经可以看出,可能是部分种类的肠道微生物而非全部,起到了抑制交感神经的作用。研究人员发现,这些特定种类的微生物能够提高短链脂肪酸(SCFAs)水平。让小鼠服用外源的短链脂肪酸可以抑制因为服用抗生素而被激活的交感神经元。向小鼠的脑室中注射短链脂肪酸并不能起到同样的效果,这表明短链脂肪酸更有可能在外周——也就是肠道系统中发挥作用。除了短链脂肪酸以外,研究人员还发现其他一些受到肠道微生物调节的物质水平的变化也可以影响到交感神经的活性,如胆酸、GLP-1(glucagon-like peptide 1)、PYY(peptide tyrosine tyrosine)。这些结果表明肠道微生物可能通过调节短链脂肪酸等物质的水平,影响肠道交感神经元的活性。

目前为止的实验并不能证明交感神经元可以直接感知到肠道微生物的影响,研究人员接下来开始研究肠道交感神经元上游的神经结构。研究人员在Slc32a1-GFP(绿色荧光标记表达VGAT的抑制型神经元,即GABA能)和Slc17a6-GFP(绿色荧光标记表达VGLUT2的兴奋型神经元,即谷氨酸能)小鼠的回肠中注射了表达mRFP的伪狂犬病毒(可以跨突触逆行,使感染的神经元表达红色荧光)。对脑干的观察显示,与肠道交感神经相连的抑制型神经元主要为Gi(gigantocellular)神经元,兴奋型神经元主要位于LPGi/RVLM(Gi旁外侧核/前腹外侧延髓)。研究人员利用DREADD(designer receptors exclusively activated by designer drugs,向特定的Cre小鼠中注射带有配体门控通道的病毒,之后可以通过注射特定的配体控制某一类型神经元的活性)方法分别激活Gi和LPGi/RVLM的神经元,发现只有激活LPGi/RVLM可以显著激活肠道交感神经元并且减缓肠道蠕动,而Gi神经元对肠道交感神经无明显影响。此外,研究人员也发现无菌小鼠中LPGi/RVLM神经元的活性有显著提高(cFos表达)。这些结果证明脑干LPGi/RVLM的谷氨酸能神经元可以激活肠道交感神经元。

之前的研究表明脑干的另外两个区域NTS(孤束核)和area postrema(AP,极后区)可以整合来自迷走神经和循环系统的肠道信息并投射给LPGi/RVLM。研究人员发现服用抗生素后,小鼠NTS和AP的cFos的确显著上升了。开始的示踪实验标记的SNG和DRG是重要的接收来自肠道信息的神经结构,研究人员用DREADD方法抑制SNG和DRG的神经元能够激活NTS和AP的神经元以及肠道交感神经元(CG-SMG)。进一步的实验还表明SNG而非DRG在调控交感神经中起着更重要的作用,TRAP-seq分析还显示SNG中的Nav1.5+神经元在此过程中起着重要作用。至此,研究人员构建出了一个肠道微生物调控肠道交感神经活性的一个神经环路:肠道——SNG——NTS/AP——LPGi/RVLM——CG-SMG——肠道。

摘自原文extended data Fig10,作者给出的简单总结

本文转载于知乎文章@Wang xy

如果您也对动物实验感兴趣,欢迎关注和推荐关注\/信公众号:bioviewer,专注于动物神经科学与行为学的实验知识的方法传播与分享交流,您可以推荐给您身边的朋友、同学以及老师,我们会定期更新您需要的相关实验方法的视频和文章,希望能对大家带来帮助!

 

联系人
在线客服
用心服务 成就你我