腸道菌群影響小鼠小膠質(zhì)細胞且雌雄有別

腸道菌群影響小鼠小膠質(zhì)細胞，且雌雄有別！腸道菌群以性別依賴性的方式影響幼體及成體小鼠小膠質(zhì)細胞MicrobiomeInfluencesPrenatalandAdultMicrogliainaSexSpecificManner.文獻ID:發(fā)表期刊：cell時間:2017-12-22影響因子：30.410作者：MorganeSoniaThion關鍵詞：小膠質(zhì)細胞、腸腦軸、性別依賴型導讀大腦的兩性異形，包括細胞和環(huán)路水平構成了性別行為差異的生物學基礎。細胞水平的研究已證實神經(jīng)元類群，數(shù)量及基因表達等指標存在性別二態(tài)性。12月21日，刊載在Cell文章，基于大規(guī)模轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)提供了小膠質(zhì)細胞具有的性別二態(tài)性及其與腸道菌群關聯(lián)的證據(jù)，揭示小膠質(zhì)細胞如何應對外界環(huán)境刺激，增加了認識腦的兩性異形的維度。實驗方案：MicrobiomeMicroglia?(?GermfreelongtermAntibioticsshorttermRNA-seqATAC-seqDensityoEOdQE山PrmnatalSPFmice....????GFmiceLongtermdepletionAcutedysfunetionGFmice研究背景MicrobiomeMicroglia?(?GermfreelongtermAntibioticsshorttermRNA-seqATAC-seqDensityoEOdQE山PrmnatalSPFmice....????GFmiceLongtermdepletionAcutedysfunetionGFmice研究背景小膠質(zhì)細胞(Microglia)是腦中的巨噬細胞，被視作中樞神經(jīng)系統(tǒng)抵御病原入侵的第一道防線。其源于卵黃囊(yolk-sac,YS)中巨噬細胞，在小鼠的第一個神經(jīng)元產(chǎn)生時進入大腦(E9.5)并在成體階段更新。除了發(fā)揮免疫細胞的作用外，同時也在出生前和成體階段參與到個體的腦發(fā)育，穩(wěn)態(tài)維系和其他生理病理功能調(diào)控中，如在細胞和環(huán)路水平調(diào)節(jié)突觸傳遞、突觸修剪和形成、細胞的存活和死亡等。小膠質(zhì)細胞的多重角色與神經(jīng)發(fā)育和神經(jīng)退行性疾病，包括阿爾茲海默氏癥(Alzheimer'sdisease,AD)、帕金森癥(Parkinson'sdisease,PD)、自閉癥(Autismspectrumdisorders,ASD)、多發(fā)性硬化癥(Multiplesclerosis,MS)等的發(fā)生發(fā)展密切相關。近年，關于腸道菌群在調(diào)控腦環(huán)路，神經(jīng)生理和行為的報道別開生面。研究表明，腸道菌群的缺失與失衡會加速ASD和PD動物模型疾病進程且菌群的發(fā)酵產(chǎn)物短鏈脂肪酸(short-chainfattyacids,SCFA)釋放不足，會影響到小膠質(zhì)細胞的穩(wěn)態(tài)。這些研究提示，小膠質(zhì)細胞是胚胎及成體階段，環(huán)境信號感知-神經(jīng)環(huán)路塑造交互界面的主要節(jié)點。需要注意的是，與外部環(huán)境信號相比，性別差異對小膠質(zhì)功能的影響不容忽視。，小膠質(zhì)細胞在發(fā)育階段轉(zhuǎn)錄組亦存在性別差異。鑒于某些疾病表現(xiàn)出顯著的性別易感性，解析生物性別因素對小膠質(zhì)細胞分化和功能的影響，更清楚地認識小膠質(zhì)細胞的功能，對臨床疾病的診斷和治療尤為重要。主要內(nèi)容1.不同發(fā)育階段的小膠質(zhì)細胞環(huán)境感知基因圖譜為了解小膠質(zhì)細胞的分化和成熟，研究者分別分析了4個不同時期的差異表達基因，即祖細胞階段 (YSM/E10.5)、胚胎發(fā)育1期(E12.5toE14.5)、胚胎發(fā)育2期(E16.5toP0)、成體階段。結果表明，小膠質(zhì)細胞在腦發(fā)育的不同階段具有特殊的功能。與此同時，分別鑒定出胚胎期和成體9個與環(huán)境感知相關的特異高表達基因。小膠質(zhì)細胞在子宮內(nèi)的感知基因表達，表明其可能響應胚胎發(fā)生的過程中局部和全身性的信號變化。

Progenitors.E105Ermbryorucphase1Embryonicph白鳥皀Progenitors.E105Ermbryorucphase1Embryonicph白鳥皀2Adult — y TI. .T 中嚴TaMIa.「圖1.Microglia不同發(fā)育階段，表達特定環(huán)境感知基因。Ctf79t??Fceila,Fop4.ClK7aEiwl.LgalsS,PtpccDiBuoujefeu丄歩2.成體小膠質(zhì)細胞獲得性別二態(tài)性轉(zhuǎn)錄指紋研究者從E18.5胚胎（性激素合成起始）和SPF級雌雄成體小鼠腦中分選小膠質(zhì)細胞，進行RNA-seq。數(shù)據(jù)顯示，胚胎期轉(zhuǎn)錄組的性別二態(tài)性有限但在成體階段顯著增加，小膠質(zhì)細胞在雌性個體中表現(xiàn)出更強的免疫激活狀態(tài)，SPF雌性小鼠響應干擾素刺激的基因高表達，成年雌雄個體環(huán)境感知基因（如Gpr34和Ccrl2）有性別差異的。圖2.小膠質(zhì)細胞逐漸獲得性別相關的轉(zhuǎn)錄特征譜。一IsI圖2.小膠質(zhì)細胞逐漸獲得性別相關的轉(zhuǎn)錄特征譜。一IsI里luulJdsA:JH*1 .■"^r\乜??電礙PMY1— J-**■■ 「遼更!..J■ E,H1卜-氣j.—1-FJ腸道菌群對轉(zhuǎn)錄組影響與發(fā)育階段和性別相關成體中腸道菌群對小膠質(zhì)細胞有影響，研究者希望確定母源性微

生物是否在出生前即對小膠質(zhì)細胞的發(fā)育起作用。通過分析不同時期的小膠質(zhì)細胞的轉(zhuǎn)錄組圖譜（E14.5,E18.5和P60），揭示腸道菌群調(diào)控炎癥（檢測和）?反應相關基因的早期表達。母源性腸道菌的缺乏對胚胎期雄性個體的小膠質(zhì)細胞基因表達影響較大，成年雌性個體持續(xù)的無菌狀態(tài)對小膠質(zhì)細胞亦有顯著影響。小膠質(zhì)細胞在出生前階段即可響應母體腸道菌群的的缺失，并在兩性個體中表現(xiàn)出相應階段的特定反應（細胞形態(tài)，翻譯調(diào)控，免疫反應，趨化性等方面）。除了轉(zhuǎn)錄組外，源性腸道菌的缺乏也使得小膠質(zhì)細胞的定植（圖式）?同樣表現(xiàn)出性別和時間特異性（見原文Figure4）。BirthAduhBirthOfOa亠 OfOaPrenalAlBrthPrKtnnVilis —4^20 1216TPrenalAlBrthPrKtnnVil圖3.母源性腸道菌的缺乏對小膠質(zhì)細胞的影響具有性別和時間特異性。無菌小鼠的染色質(zhì)可接近性經(jīng)歷短時變化為進一步評估無菌狀態(tài)的影響，對E14.5,E18.5和P60階段的小鼠腦小膠質(zhì)細胞進行了ATAC-seq分析(AssayforTransposaseAccessibleChromatinsequencing)。在SPF小鼠和GF小鼠中，胚胎期和成體階段的差異可接近區(qū)域(differentiallyaccessibleregions,DARs)區(qū)別顯著。有意思的是，從E14.5到E18.5的發(fā)育期，SPF小鼠胚胎的幾個區(qū)域染色質(zhì)可接近性上升，GF小鼠卻沒有。整體數(shù)據(jù)表明在胚胎發(fā)育階段，腸道菌群即可引起大范圍的輕微的染色質(zhì)可接近性的改變，調(diào)控關鍵靶基因如Ly86的表達,且雌性成年個體更易受到菌群缺失的影響，這一點與轉(zhuǎn)錄組的數(shù)據(jù)是一致的。Microbiome-s-pecificEi"E1B5AdiiEEffiES03DARsSex-specificDARs缸廣'tirLL-fe-用巴*<匕戀I,■匸忙y.f=l!}「"1----"-250■!iini-i.-.h?^FMcnnFvMIOzea-ts-Microbiome-s-pecificEi"E1B5AdiiEEffiES03DARsSex-specificDARs缸廣'tirLL-fe-用巴*<匕戀I,■匸忙y.f=l!}「"1----"-250■!iini-i.-.h?^FMcnnFvMIOzea-ts-l-g-flr< 1195 | 軸1■^豈：-|$FFH^-r.'^ggg]'：：j--Spi=u；v-yc.oaGENCDD^vMIOcjir?;I ||I：|II2.5&?3；...-""^TVcnMUvt*鈾中麗衛(wèi)J?l-■-」lA□IjllL*III!lA□IjllL*III!丄丄L_J_jL_LJ■:丄ik

L丄丄 .J-.」-jj■-5；ib」1rdiII 1I\圖4.腸道菌的缺乏會出現(xiàn)染色質(zhì)可接近性短時變化。抗生素處理引起的小膠質(zhì)細胞轉(zhuǎn)錄組輕度修飾具有性別二態(tài)性無菌狀態(tài)對成體小膠質(zhì)細胞的影響可能來自于母源性腸道菌的缺乏，但也可能是成體階段菌群的不足導致的。為解決這個問題，研究者對抗生素處理1周之后的SPF小鼠和對照組小鼠的小膠質(zhì)細胞進行RNA-seq分析，結果發(fā)現(xiàn)抗生素處理對小膠質(zhì)細胞的轉(zhuǎn)錄組指紋的改變呈現(xiàn)性別差異，且成體GF小鼠小膠質(zhì)細胞的變化主要是發(fā)育階段長時期腸道菌群缺失帶來的影響。

SPFFABXFSPFMABXMSPFMasxiw1:;二i—eupw-isran対曲負UFO工?daeepunclE;<Z￡ESPFF^771ABXfI 1SPFMF7777IABXMABXSPF圖SPFFABXFSPFMABXMSPFMasxiw1:;二i—eupw-isran対曲負UFO工?daeepunclE;<Z￡ESPFF^771ABXfI 1SPFMF7777IABXMABXSPF圖5.抗生素處理引起的小膠質(zhì)細胞轉(zhuǎn)錄組輕度修飾具有性別差異。人和小鼠的胎兒小角質(zhì)細胞核心轉(zhuǎn)錄指紋保守完成對小鼠的一系列測試后，文章進一步提供了人的相關數(shù)據(jù)。

來源于14-24周終止妊娠的男性和女性胎兒的差異表達基因分析表明，人的小膠質(zhì)細胞在妊娠中期是沒有性別差異的。此時人和E16.5時期小鼠的小膠質(zhì)細胞轉(zhuǎn)錄特征圖譜是較為接近的。人在妊娠中期高表達環(huán)境感知基因，包括Csf1RCx3cr1,Ifngr1,Cxcl1和Ly86等。盡管，人的小膠質(zhì)細胞在妊娠中期不具有性別二態(tài)性，但是已經(jīng)獲得環(huán)境感知基因的表達能力，賦予其與小鼠同樣的在子宮內(nèi)應對環(huán)境變化的能力。1粒A忸仙暗14MM聽St14*2丹脇字旳込w&aks精hBekis世1SWakw2 “口展,山口衛(wèi)1nMaB■I■陽貞■阿即2加1盟FemaleMale1粒A忸仙暗14MM聽St14*2丹脇字旳込w&aks精hBekis世1SWakw2 “口展,山口衛(wèi)1nMaB■I■陽貞■阿即2加1盟FemaleMalea著占8訕i里中擊L^13gL￡-5—竺cftHu星<TL畫g;豈-54星艸+>寸匸第蚩穿曽41-U-2 DIqq2BwdcJangeParishTrue■E12.S?-E1^.6E1A.5?PO?Muh圖6.妊娠中期人類和小鼠胎兒小膠質(zhì)細胞的共享特征。D*Elfl5小結該項工作揭示小膠質(zhì)細胞在性別依賴的細胞特征和外界環(huán)境因素(即腸道菌群)相互影響中的作用，在應對腸道菌群缺乏時表現(xiàn)出性別和年齡相關的基因表達差異。出生前的個體，小膠質(zhì)細胞的性別二態(tài)性有限，但在成體階段，其對腸道菌群的響應，無論是短期的還是長期的都具有顯著的性別偏向，這對于小膠質(zhì)細胞相關的性別易感性疾病的臨床研究具有重要意義。研究者強調(diào)小膠質(zhì)細胞是生理及病理條件下腦環(huán)路構筑的重要參與者。為了更明晰地回答這個問題，進一步探索胚胎發(fā)育階段小膠質(zhì)細胞的功能，在該階段如何啟動局部及全身信號來影響神經(jīng)環(huán)路，進入成體階段后在不同環(huán)境刺激下又是怎樣獲得了性別二態(tài)性等問題將有助于解析小膠質(zhì)細胞-腸道菌群通路對神經(jīng)環(huán)路的影響，為小膠質(zhì)細胞相關的神經(jīng)系統(tǒng)性疾病的治療提供新的方法。Reference:Cell.,2017.DOI:/10.1016/j.cell.2017.11.042.MicrobiomeInfluencesPrenatalandAdultMicrogliainaSex-SpecificManner.Additionalreferences:1.Science.,19Aug2016:Vol.353,Is