全基因組篩查腸道微生物在調(diào)節(jié)神經(jīng)退行性疾病中的研究

　　越來越多的證據(jù)表明，腸道微生物在調(diào)節(jié)神經(jīng)退行性疾病(如帕金森病)的進(jìn)展方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。這種微生物與宿主相互作用的分子機(jī)制還不清楚。在本研究中，作者通過用大腸桿菌敲除突變體喂養(yǎng)表達(dá)人α-syn的秀麗隱桿線蟲，進(jìn)行了全基因組篩選，以確定促進(jìn)宿主神經(jīng)變性的細(xì)菌基因。

　　神經(jīng)退行性疾病的特征是蛋白質(zhì)錯誤折疊和聚集，導(dǎo)致β-片結(jié)構(gòu)豐富的淀粉樣原纖維的形成。這種蛋白質(zhì)聚集引發(fā)蛋白質(zhì)毒性，最終導(dǎo)致神經(jīng)元死亡。DA神經(jīng)元的缺失導(dǎo)致紋狀體多巴胺信號的減少，從而導(dǎo)致PD患者運(yùn)動功能受損。α-syn是一個小的(140個氨基酸)蛋白質(zhì)，由一個n端結(jié)構(gòu)域、一個非a -β組成的結(jié)構(gòu)域(是纖維化核心)和一個羧基末端區(qū)域組成。n端結(jié)構(gòu)域的錯義突變，如A30P、G46K和A53T，通過產(chǎn)生比野生型更容易錯誤折疊和聚集的突變蛋白，導(dǎo)致常染色體顯性家族性PD。突變的α-syn蛋白形成有毒的β-片狀低聚物，導(dǎo)致線粒體功能障礙、氧化應(yīng)激、鈣穩(wěn)態(tài)破壞和神經(jīng)炎癥，這些都導(dǎo)致神經(jīng)變性。目前缺乏有效的預(yù)防α-syn聚集的治療干預(yù)。

　　近年來的研究表明，腸道菌群可能在神經(jīng)退行性疾病的發(fā)病機(jī)制中發(fā)揮重要作用。例如，抗生素治療改善了PD小鼠的病理生理，治療后的微生物再定殖恢復(fù)了PD癥狀。與移植健康供者的菌群相比，PD患者的α-syn過表達(dá)小鼠的定植加重了身體損害。除了動物模型，臨床研究也為帕金森病中腸道和大腦的微生物聯(lián)系提供了證據(jù)。胃腸功能障礙是PD患者的常見癥狀，幽門螺桿菌感染與疾病的嚴(yán)重程度和進(jìn)展有關(guān)。對PD患者的糞便樣本進(jìn)行測序發(fā)現(xiàn)，與健康個體相比，腸道細(xì)菌組成發(fā)生了變化(例如，乳酸桿菌科增加。與PD相似，阿爾茨海默病(AD)小鼠模型中的腸道細(xì)菌促進(jìn)了淀粉樣蛋白病理(10)，AD患者的腸道微生物組組成也發(fā)生了改變。

　　盡管紊亂的腸道微生物群和神經(jīng)退行性疾病的發(fā)展之間的聯(lián)系日益密切，但對細(xì)菌和神經(jīng)系統(tǒng)之間通信的機(jī)械學(xué)理解是有限的。大多數(shù)理論關(guān)注的是全身炎癥和異常微生物引起的神經(jīng)炎癥的神經(jīng)退行性影響。細(xì)菌蛋白或代謝物是否能直接作用于宿主神經(jīng)元，以模塊由α-syn或A-β蛋白毒性引起的神經(jīng)退行性變進(jìn)程尚不清楚。這種局限性很大程度上是由于缺乏一個簡單的模型來系統(tǒng)地測試單個細(xì)菌的成分對神經(jīng)元的影響。

　　為了解決這一問題，作者采用秀麗隱桿線蟲PD模型，在秀麗隱桿線蟲神經(jīng)元中表達(dá)人α-syn蛋白，研究微生物對PD的調(diào)控機(jī)制。由于秀麗隱桿線蟲以細(xì)菌作為其天然食物，且易于在單核苷酸條件下培養(yǎng)，因此它已成為模擬微生物與宿主相互作用的重要生物體。事實(shí)上，細(xì)菌基因組的改變影響了線蟲的發(fā)育、代謝和行為。一些研究也表明某些細(xì)菌代謝物可以影響線蟲的神經(jīng)變性。

　　細(xì)菌卷曲促進(jìn)α-syn聚集

　　在本研究中，作者篩選了所有非必要的大腸桿菌基因?qū)D發(fā)病機(jī)制的影響，通過將單個大腸桿菌敲除突變體喂養(yǎng)到PD c elegans并評估神經(jīng)變性的嚴(yán)重程度。該篩選鑒定了38個大腸桿菌基因，這些基因的缺失導(dǎo)致PD癥狀的改善。這些基因來自不同的遺傳途徑，包括卷曲素的形成、脂多糖(LPS)的產(chǎn)生、溶菌酶的抑制、腺苷鈷胺的合成和氧化應(yīng)激反應(yīng)，表明不同的細(xì)菌成分可以促進(jìn)神經(jīng)變性。

　　通過抗體染色和生化分析，作者發(fā)現(xiàn)CsgA促進(jìn)了α-syn的聚集，并且去除細(xì)菌飼料中的卷曲菌可以使α-syn依賴蛋白酶體降解。重要的是，作者證明了細(xì)菌來源的CsgA和α-syn在多巴胺能神經(jīng)元中的體內(nèi)共定位和交叉播種;這種交叉播種顯著增強(qiáng)了α-syn的聚集。

　　此外，該研究結(jié)果擴(kuò)展到線蟲模型的AD、肌萎縮性側(cè)索硬化癥(ALS)和亨廷頓病(HD)以及人神經(jīng)母細(xì)胞瘤SH-SY5Y細(xì)胞?？偟膩碚f，該研究表明，細(xì)菌成分，如卷曲，可以直接影響神經(jīng)退化。