综述 | Molecular Cell：微生物组与神经信号
编译：碎碎念，编辑：小菌菌、江舜尧。
原创微文，欢迎转发转载。
宿主相关的微生物组是大脑活动和行为的重要调节因子。代谢、免疫和神经通路通过所谓的微生物群-肠-脑轴相互沟通。然和，目前还缺乏强有力的机制证据，尤其是缺乏微生物和感受神经元之间的直接信号通路。本文主要将短链脂肪酸（SCFAs）、神经递质、未鉴定的生化分子和神经药物衍生物作为重要领域讨论了微生物与神经系统的相互作用。
论文ID
原名：Toward Understanding Microbiome-Neuronal Signaling
译名：对微生物组-神经信号的理解
期刊：Molecular Cell
IF：14.548
发表时间：2020.04.09
通信作者：K.G. Jameson
通信作者单位：加州大学洛杉矶分校
主要内容
人类微生物群由数以万计的固有微生物组成。过去十年来，随着多组学技术、无菌模型、交叉遗传学和实时成像技术的发展，学者开始热衷于微生物组是宿主生理和行为调节的关键因素这一概念。早期研究将肠道微生物组的变化与神经行为表型相联系，提出了微生物－肠－脑轴的概念，肠道微生物通过免疫，神经元和代谢途径影响大脑和行为。特别是新证据表明，某些微生物群成员可以合成和/或调节许多可调节神经传递的神经化学物质，以及其他许多可以直接或间接影响神经活性的代谢产物。因此通过肠-脑轴研究共生微生物群在调节感觉神经元交流的作用具有积极的意义。饮食分子，神经递质，尚未鉴定的代谢物和神经系统药物的微生物调节是揭示神经元活动的微生物调节机制的主要领域。
图1 微生物通过调节饮食产品、神经递质、未表征的生化物质和神经调节药物与神经系统相互作用
1. 微生物对SCFAs的调节
由Claude Bernard和Ivan Pavlov等先驱开展的关于喂养行为的早期研究为通过饮食调节建立肠-脑轴概念奠定了基础。随着20世纪20年代无菌啮齿动物模型的出现，肠道微生物被认为是饮食代谢和宿主营养的重要调节因子。无菌动物肠道和血液中的丁酸盐、丙酸盐、乙酸盐和戊酸盐的SCFAs含量明显不足，这表明微生物在调节宿主局部和全身SCFAs生物利用度方面起关键作用。该领域的进一步研究揭示了微生物通过复杂的多糖发酵机制产生SCFAs产物，该发现是由于拟杆菌中多糖利用位点的发现和鉴定推动的。
大量证据进一步表明，微生物群和SCFAs的改变与摄食行为失调有关。特别是在肥胖的小鼠和人类中肠道微生物群的改变，与乙酸盐和丁酸盐水平的变化相关。给予肥胖患者SCFAs产物丙酸可促进其肠道激素分泌，同时降低肥胖和总体重的增加。尽管一些动物实验强调了食欲的微生物调节是体重增加差异的基础，但是微生物对SCFAs的调节如何影响宿主摄食行为尚不清楚。SCFA游离脂肪酸受体2和3（分别为FFAR2和FFAR3）在肠神经系统和门神经以及各种感觉神经节中表达，提示神经系统的激活在调节这些功能中发挥了作用。与此相一致，丙酸干预可以诱导fos在脑干，下丘脑和脊髓的背迷走神经复合体中表达，从而引发了以下问题：SCFAs诱导的周围感觉神经元活动刺激是否可以介导SCFAs对宿主摄食行为的影响。
随着人们对肠道微生物影响宿主行为的不断探索，一个关键的开放性问题是，营养相关微生物调控在多大程度上影响了微生物组对宿主复杂行为的调控，包括饮食稳态以及社会、压力相关和认知领域。SCFAs是调节能量稳态的主要分子，而SCFAs受体也广泛表达于非神经细胞亚型。例如，在免疫细胞中，SCFA可以调节T调节细胞的分化和小胶质细胞成熟；在肠内分泌细胞中，SCFAs可以促进肠道激素的释放。除了促进SCFAs外，肠道微生物群是胆汁酸二次代谢所不可或缺的，胆汁酸是另一类与饮食有关的代谢产物，其相关受体通过各种细胞类型（包括感觉神经元的子集）表达，从而调节多种宿主表型。鉴于其多能性，有必要进一步研究SCFAs和胆酸盐改变宿主行为的确切信号通路。对SCFAs和胆酸盐信号中特异性神经通路的功能作用的研究对于揭示微生物群通过饮食代谢调节神经活动尤为重要。
尽管肠道微生物群可能通过调节饮食代谢（例如SCFAs和胆酸盐）影响宿主行为，现有研究表明某些肠道微生物群还可以调节宿主神经递质的水平。20世纪早期Henry Dale爵士首次发现了化学递质，为微生物能够合成神经递质的发现奠定了基础。在研究小麦黑麦麦角时，他发现了递质乙酰胆碱，并在10年后从哺乳动物组织中提取出。Dale与George Barger共同发现了乙酰胆碱可以模拟副交感神经样作用，证明了化学物质可以介导神经传递。后来人们意识到，乙酰胆碱很可能源于麦角中的芽孢杆菌污染，而不是麦角本身。在这个重大发现之后，人们还在细菌培养物中发现了其他神经递质，包括甲肾上腺素（NE），血清素（5-HT），g-氨基丁酸（GABA）和多巴胺（DA），并且这些神经递质在动物体内受到微生物群的调控。尽管存在这些诱人的联系，但诸多生命产生的氨基酸衍生物形成了常见的“神经递质”，这引发了以下问题：
神经递质在微生物中的功能是什么？
宿主相关微生物可以通过调控神经递质影响神经系统么？
迄今为止，仅有少数研究验证了神经递质对细菌生理的影响。一项较早的系列研究表明，儿茶酚胺NE和肾上腺素与群体感应分子自诱导剂-3在结构上具有相似性，因此它们都能增强肠出血性大肠杆菌的运动性和毒力。研究人员假设，NE和肾上腺素对细菌致病性的这一直接作用可能参与了压力对于感染敏感性的促进作用。最近，一项利用体外共培养筛选和宏基因组数据的研究发现在人类肠道微生物群中存在产生GABA和消耗GABA的细菌。尤其是脆弱拟杆菌合成的GABA促进了KLE1738的生长，这表明某些神经递质可以作为细菌的生长底物。另一项研究发现，5-HT促进血红杆菌的肠道定植，同样表明神经递质在促进微生物适应性中的作用。除了这些初步发现外，关于肠道微生物群各个成员之间神经递质调节的程度，用于其合成和分解代谢的特定微生物基因和基因产物以及微生物感知和对神经递质的响应的分子途径知之甚少。需要综合微生物学、生物化学和生物信息学方法来支持通过多组学数据集进行的计算机模拟预测，体外确定微生物基因和蛋白质功能以及体内研究微生物群落反应。鉴定微生物合成、转化和对神经递质的生理反应的分子基础，有利于近一步研究微生物依赖的神经递质对宿主生理调节的机制。
尽管有证据表明某些选定的宿主相关细菌会在肠道内局部调节神经递质水平，在某些情况下会在血液中、全身或远至大脑本身发挥调节作用，但对神经递质的微生物调节是否真正影响神经元活动和行为仍知之甚少。在小鼠中，肠道微生物群促进肠上皮中的肠嗜铬细胞产生的5-HT在结肠和血液中高达60%。在肠道中，微生物调节的5-HT激活了肌间神经丛的内在传入初级神经元，以促进胃肠蠕动，但是肠外神经支配神经是否也受到影响仍然未知。单独的研究表明，EC的子集可能与化学感觉迷走神经或背根神经元的5-HT受体传入纤维有突触连接，表明微生物对局部5-HT的调节直接影响了中枢神经系统。虽然目前还缺乏微生物-肠道-感受神经信号的证据，越来越多研究开始使用膈下迷走神经切断术证明迷走神经严重受损影响了微生物对宿主行为的作用。为评估微生物对神经活动的直接影响，还需要规避迷走神经阻断术引起的复杂性，并仔细检查功能性神经元对微生物调控的神经化学物质的反应。随着合成生物工具的发展，研究者们还应该致力于鉴定、调节和操纵微生物基因来改变神经化学物质的作用，同时结合无菌动物和交叉基因工具有选择性地进行微生物定植并进行靶向神经生理学评估。除了评估感觉神经元途径外，还需要努力检查微生物调节的神经化学物质或其前体的体液转运。与这种可能性一致的是，结肠中重同位素标记的乙酸盐进入血液，穿过血脑屏障，使下丘脑乙酸盐升高，并进入GABA神经胶质循环以增加中央GABA的产生。选择性标记微生物群产生或调节的目标神经调节剂的新型工具，以及在动物中进行时空跟踪的技术，将有助于人们评估微生物群影响中枢神经系统的远处部位。
除了SCFAs，胆汁酸和神经递质外，还有许多其他依赖微生物群的生化物质可能与神经元相互作用。人类微生物群不仅在肠腔中，还在宿主的血液和各种器官系统中对大量的代谢物发挥调节作用。然而，许多微生物调节代谢物的身份，同源受体，信号传导途径和生理功能仍然知之甚少。最近的功能宏基因组学研究已开始揭示细菌基因用于代谢产物合成和向宿主发出信号的范围。通过筛选宏基因组文库，研究人员鉴定了与宿主相关的细菌效应基因，对这些基因产物进行生物测定后，发现了可增强宿主G蛋白偶联受体G2A的一种N-酰胺，即commendamide。近一步研究N-酰胺，研究人员证明细菌产生的N-酰基丝氨醇激活了内源性大麻素受体GPR119A。这些研究表明功能性宏基因组学不仅可以发现新颖的细菌代谢产物，而且可以作为强有力的工具来揭示细菌代谢产物如何通过模仿内源性GPCR配体来影响宿主生理。
最近的研究已经开始鉴定在体外被细菌代谢物激活的GPCR和孤儿受体。对人类肠道菌群进行单独培养，并对细菌上清液进行筛选，DA、组胺和5-HT的受体对可溶性细菌产物高度敏感。在许多其他候选物中，细菌衍生的苯乙胺和酪胺激活DA受体，而细菌产生的组胺本身则激活组胺受体。除了这些，迄今尚未鉴定的细菌产物还激活了许多其他在神经系统表达的神经肽和激素受体。在另一项研究中，同样发现了来自简化的人类微生物上清液分离物可以强烈激活神经递质GPCR。除了组胺本身以外，细菌产生的尸胺，腐胺和胍丁胺还可以激活组胺受体。含有9,10-亚甲基十六烷酸的细菌上清液激活了脑血管生成因子1，而含有12-甲基十四烷酸的细菌上清液激活了神经调节素受体1。总的来说，这些研究证明了选择性微生物产物可以激活由神经元表达的GPCR。
还需要进一步研究来鉴定能够向神经元传递信号的特异性微生物代谢产物，并确定宿主是否能利用这些复杂的微生物产物。尽管现有研究表明细菌可激活特定的GPCR，但影响单个受体的细菌分子仍不清楚。此外，我们的认识仍主要依赖于培养的单一或有限菌落的细菌，这提出了以下问题：是否存在未经培养的微生物产生的无法测定的其他分子，以及是否收集到复杂微生物群落相互作用的数据。不依赖培养直接从宿主标本筛选代谢产物有助于解决这一问题。除了微生物组中的细菌外，真菌组和病毒体在改变神经元活动中的作用仍未得到研究。虽然皮肤中的感觉神经纤维可直接感受白色念珠菌，但对于真菌组的非致病性成分是否会影响神经元活动却知之甚少。此外，噬菌体会改变肠道中神经递质色胺和酪胺的水平，但是这些改变是否最终影响神经元活动尚不清楚。这些研究选择性地调控微生物组的非细菌成员来全面理解肠道微生物组在调节宿主神经系统中的作用，突出了新型工具的重要性。
尽管初步证据表明微生物合成的分子能在体外直接与神经相关GPCRs受体结合，还需要后续实验来验证这些分子是否能够在宿主体内结合GPCRs受体，并进一步评估后续生理信号的传导。因此，需要着重于研究体内代谢产物的产生和受体激活的空间变化。微生物群落沿胃肠道及整个胃肠道表现出独特的空间结构或“微生物地理学”。此外，最近的单细胞RNA测序研究表明，肠内支配的背根和迷走神经元的受体分布中存在细胞异质性，并可能存在空间异质性。高通量原位微生物成像、代谢物谱分析和GPCR定位技术的进步将有助于建立肠道的生理环境，来揭示功能性微生物组-神经系统的相互作用。
独立的研究已经利用生化和宏基因组学方法来鉴定调节药物（包括用于神经退行性疾病的药物）代谢的特异性菌种和新型细菌酶。帕金森氏病的主要治疗手段——左旋多巴（L-dopa）——是DA的天然前体，如果外周给药，它可以穿过血脑屏障，从而在大脑中局部转化为DA。但是，胃肠道是药物广泛代谢的部位，致其生物利用度降低以及由外周DA升高引起的副作用。受到DA宿主代谢机制的启发，最近一项研究确定了微生物代谢L-dopa的新型种间途径，即粪肠球菌将L-dopa脱羧为DA，随后被Eggerthellalenta脱羟基为间酪胺。值得注意的是，在编码多巴胺脱羟基酶的细菌基因中单核苷酸多态性可预示某些患者代谢该药物的能力。因此，该领域已经开始意识到微生物群作为潜在的治疗靶标，不仅有助于提高神经系统疾病药物的疗效，还可以作为开发其他个性化药物治疗的手段。
尽管对微生物代谢神经调节药物的分子机制的理解取得了一些进展，但是距应用于临床还有一定距离。迄今为止，很少有研究能够严格评估因改变神经疾病药物的微生物代谢而产生的症状结果。因此，这些机制在临床是否同样适用还并不清楚。需要利用遗传学上可调控的菌种在患病的无菌动物模型开展实验来特异性评估微生物对药物生物利用度以及神经行为表现的功能。这些进展有助于我们更好地理解微生物组调节患者对药物反应的差异性以及评估可控的临床干预策略。
结论
越来越多的证据表明，宿主相关微生物群的破坏会改变动物的行为并进一步支持了微生物群-肠-脑轴的信号传导概念。迄今为止，一些研究强调了感觉神经元信号、体液代谢传递和免疫调节可能直接和间接介导了微生物-神经系统互作，但是缺乏明确评估和分析这些信号传导机制的研究。测序、病毒靶向、交叉遗传以及成像工具的进步，结合无菌动物模型和细菌遗传系统有助于我们理解微生物—肠-脑轴的分子和细胞机制，以及不同细胞对多效性微生物信号响应的细微差别。特别是，对感觉神经元和肠上皮细胞进行分析的研究发现，依赖微生物群的饮食产品、神经递质和尚未鉴定的代谢物通过结合传入纤维本身受体或激活肠上皮中肠内分泌细胞的信号传导，可以直接和间接激活感觉神经元。然而，实验中将特定神经元或上皮细胞亚型的受体条件性敲除，或者构建获得或丧失功能的细菌可能有助于鉴定微生物信号调节宿主大脑功能和行为的通路特异性作用。此外，目前很少有研究在体内使用电生理和基因编码的钙指示剂等工具直接评估微生物代谢对神经活动的功能作用。为了理解肠道微生物如何影响宿主生理，我们需要沿着肠-脑轴了解介导神经沟通的不同通路和功能特性。研究人类微生物群中的微生物是否与神经调节药物相互作用，以及这种相互作用对药物疗效和临床结果是否有可量化的影响，可能会有助于理解。总的来说，未来将为揭示微生物和微生物产物如何被宿主感觉系统检测和解释的基本原理提供令人兴奋的前景，从而理解动物及其相关微生物群落的共同进化。
你可能还喜欢