Cell Metab | 微生物源醋酸盐调控健康和阿尔兹海默症大脑免疫细胞代谢的新机制

撰文︱Yu

责编︱王思珍

小胶质细胞（microglia）是中枢神经系统中固有的免疫细胞，参与调控星型胶质细胞发育、突触修剪、髓鞘碎片清除等生物学过程[1]。以前有研究表明，肠道菌群在维持稳态条件下和随后紊乱条件下的小胶质细胞的成熟和功能方面发挥重要作用，比如，在无菌条件下，小胶质细胞的形态和数量都会发生变化，且其抗病毒的功能会减弱，短链脂肪酸（short-chain fatty acids，SCFAs）在这个过程中起至关重要的作用，SCFAs也会加剧帕金森病的疾病进程[2, 3]。阿尔兹海默症（Alzheimer's disease，AD）小鼠模型中，肠道菌群缺失会导致β-淀粉样蛋白（Aβ）沉积的减少[4]；在多发性硬化（MS）模型中，SCFAs参与调控Treg细胞中线粒体的功能[5]。基于这些研究进展，于是科学家提出了肠-脑轴（gut-brain axis）这一建设性概念。已有研究表明，许多免疫反应都伴随有细胞代谢状态的变化，但菌群对免疫代谢调节的具体机制尚不清楚。

2021年11月2日，德国弗莱堡大学的Marco Prinz团队在Cell Metabolism上发表了题为“Microbiota-derived acetate enables the metabolic fitness of the brain innate immune system during health and disease”的文章，阐明了微生物来源的醋酸盐在稳态条件下促进小胶质细胞成熟并调控其代谢，以及在神经退行性疾病情况下调控小胶质细胞吞噬的机制[6]。

首先，研究者们比较了无菌（GF）和无特定病原体（SPF）两种条件下小胶质细胞的bulk RNA-seq（图1A）与ChIP-seq数据（图1 D, E），并对差异基因做了独创性路径分析（ingenuity pathway analysis，IPA）。IPA分析的结果显示，在GF组中，免疫细胞增值、细胞存活等通路被激活，巨噬细胞发育、细胞因子数量、神经炎症信号转导通路、STAT3通路等 等通路则被抑制（图1 B, C），这些结果与GF组小胶质细胞功能不成熟的观点一致。另外IPA的结果中也富集到了如脂质浓度、线粒体数量、巨噬细胞活性氧（ROS）产生等与代谢相关的通路（图1 B, C）。这些结果提示GF组小胶质细胞的增殖、激活、代谢可能存在变化（图1）。

图1 GF组和SPF组RNA-seq，ChIP-seq差异及IPA结果。

（图源：Erny D et al., Cell Metab, 2021）

接下来，研究者们关注了小胶质细胞的代谢，他们对SPF和GF组的小胶质细胞进行了全面的代谢组学分析，发现了107个差异显著的代谢物，其中小胶质细胞的三羧酸循环、嘌呤代谢以及烟酸盐和烟酰胺代谢等都因为微生物的缺失发生了改变（图2）。作者进一步应用流式细胞术，对两种情况下小胶质细胞中线粒体、脂滴、溶酶体的数量和ROS产量进行了检测，其中GF组小胶质细胞中的线粒体数量明显增多，ROS产生也显著增加（图3）。

图2 GF和SPF组小胶质细胞靶向代谢组学分析结果

（图源：Erny D et al., Cell Metab, 2021）

图3 流式细胞术观察GF组和SPF组小胶质细胞中各种组分的含量。

（图源：Erny D et al., Cell Metab, 2021）

那么究竟是什么使得GF组小胶质细胞功能发生了改变呢？之前的研究表明，SCFAs、醋酸盐（acetate）、丙酸盐（propionate）和丁酸盐（butyrate）对稳态及病理环境下的小胶质细胞的成熟和功能至关重要[2]，但这些不同的SCFAs是共同对小胶质细胞起作用还是单独起作用，尚不清楚。因此研究者们分别将SCFAs混合物及醋酸盐、丙酸盐和丁酸盐分别加进GF组小鼠的饮用水中，结果显示SCFAs混合组及醋酸盐组小鼠脑内小胶质细胞的密度（图4 A,B）、形态（图4 D）及DDit4（DNA损伤诱导转录本4）基因的表达（图4 C）都与SPF组类似，但丙酸盐和丁酸盐组小鼠小胶质细胞的情况没有得到改善（图 4 A-C）。并且SCFAs和醋酸盐处理组小胶质细胞中线粒体的数量也恢复到了GF组水平（图5）。这说明醋酸盐在调控小胶质细胞的成熟和代谢中起至关重要的作用。

图4 SCFAs处理后小胶质细胞数量及形态变化

（图源：Erny D et al., Cell Metab, 2021）

图5 SCFAs处理后小胶质细胞中线粒体的变化

（图源：Erny D et al., Cell Metab, 2021）

既然醋酸盐在正常生理情况下对调控小胶质细胞的功能有如此重要的作用，那么在疾病状况下是否也具有相同的机制？Marco Prinz实验室先前的研究发现GF组AD小鼠模型（5xFAD）中Aβ沉积会减少，但SCFAs是否参与调控Aβ沉积的改变，尚不清楚[4]。于是他们采用5xFAD小鼠模型进行了实验。GF组5xFAD小鼠喂食含醋酸盐的饮用水，并观察其脑内Aβ沉积情况。结果发现GF+醋酸盐组小鼠脑内的Aβ沉积和小胶质细胞数量都接近于SPF组（图6 A-D），但GF组5xFAD小鼠脑内Aβ沉积显著少于另外两组，小胶质细胞的数量多于另外两组（图6 B-D），并且GF组5xFAD小鼠脑内Aβ斑块周围聚集着更多的小胶质细胞（图6 C, E）。研究者们进一步观察了给予醋酸盐饮用水的5xFAD小鼠小胶质细胞对Aβ斑块的吞噬能力和小胶质细胞的代谢状况，结果发现醋酸盐组小胶质细胞的吞噬能力和ROS都增高了（图7 F, H），这说明醋酸盐在神经退行性疾病状况下同样参与调节小胶质细胞的吞噬和代谢。

图6 醋酸盐处理的5xFAD小鼠脑内小胶质细胞数量和Aβ与SPF组一致

（图源：Erny D et al., Cell Metab, 2021）

图7 醋酸盐组5xFAD小鼠小胶质细胞吞噬能力和ROS都增高

（图源：Erny D et al., Cell Metab, 2021）

文章结论与讨论，启发与展望总之，这项工作结合转录组学技术、表观遗传学技术、代谢组学技术等手段，阐明了肠道菌群对小胶质细胞代谢状态的调控作用，并找到了在生理和病理情况下调控小胶质细胞代谢功能的最关键的成分——微生物源醋酸盐，揭示了肠道微生物对大脑免疫系统调节的机制。

但本研究也存在一些待解决的问题。比如，GF组5xFAD小鼠脑内Aβ沉积显著少于SPF组，这种情况下5xFAD小鼠在学习、认知、记忆等方面的行为与SPF组相比状态如何呢，是更差还是更好亦或是无变化？除此之外，在AD小鼠中往往会出现外周免疫细胞的浸润，肠道菌群是否也参与浸润进大脑的的外周免疫细胞的功能呢？这些问题值得未来探讨。

原文链接：https://www.cell.com/cell-metabolism/fulltext/S1550-4131(21)00488-5

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[1]Baaklini C S, Rawji K S, Duncan G J, et al. Central Nervous System Remyelination: Roles of Glia and Innate Immune Cells [J]. Frontiers in molecular neuroscience, 2019, 12(225.

[2]Erny D, Hrabe De Angelis A L, Jaitin D, et al. Host microbiota constantly control maturation and function of microglia in the CNS [J]. Nat Neurosci, 2015, 18(7): 965-77.

[3]Erny D, Prinz M. How microbiota shape microglial phenotypes and epigenetics [J]. Glia, 2020, 68(8): 1655-72.

[4]Mezo C, Dokalis N, Mossad O, et al. Different effects of constitutive and induced microbiota modulation on microglia in a mouse model of Alzheimer's disease [J]. Acta neuropathologica communications, 2020, 8(1): 119.

[5]Haghikia A, Jorg S, Duscha A, et al. Dietary Fatty Acids Directly Impact Central Nervous System Autoimmunity via the Small Intestine [J]. Immunity, 2015, 43(4): 817-29.

[6]Erny D, Dokalis N, Mezo C, et al. Microbiota-derived acetate enables the metabolic fitness of the brain innate immune system during health and disease [J]. Cell Metab, 2021, 33(11): 2260-76 e7.

制版︱王思珍

本文完