Mol Psychiatry︱叶克强课题组揭示肝螺杆菌累积引发帕金森病小鼠多巴胺能神经元变性和运动障碍

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撰文︱聂淑科，李博维

责辑︱王思珍，方以一

编辑︱王思珍

帕金森病（PD）是第二大常见的神经退行性疾病，其特征是黑质致密部（SNpc）多巴胺能神经元的缺失，并伴有α-突触核蛋白（α-Synuclein，α-Syn）在Lewy体中的积累。肠道生态失调是PD的发病机制之一。PD患者表现出肠道微生物群的改变，伴随肠道炎症以及高度的胃肠道紊乱，这与外周炎症因子迁移到大脑有关，且发生在运动功能紊乱之前[1-3]。越来越多的证据表明，PD的标志蛋白α-Syn首先聚集在肠粘膜下神经丛，并沿迷走神经从胃肠道逆行运输到中枢神经系统[4]。聚集的α-Syn种子在神经元之间跨突触传播，诱导内源性α-Syn纤维化并传播病理。

已经有研究表明，肠道微生物群及其代谢产物通过调节神经炎症、屏障功能和神经递质活性参与PD的发病机制[5-8]。肠道神经系统（ENS）和中枢神经系统（CNS）之间存在双向通信，微生物-肠-脑轴为α-突触核蛋白的传递提供了通路[7-12]。然而，目前尚不清楚肠道微生物群中的哪些细菌在驱动PD发病机制中发挥关键作用。

2022年12月21日，中国科学院深圳理工大学（筹）生命健康学院叶克强教授（前Emory University终身教授）团队在Molecular Psychiatry上发表了题为“Helicobacter hepaticus augmentation triggers Dopaminergic degeneration and motor disorders in mice with Parkinson’s disease”的文章，阐述了在PD病理中，在肠道微生物群富集的肝螺杆菌可能通过激活AEP促进α-Syn病理和运动障碍。（拓展阅读：叶克强课题组相关研究进展，详见“逻辑神经科学”报道（点击阅读）：Nat Commun︱叶克强团队发现TrkB激动剂前药-R13可抑制骨流失；Mol Psychiatry︱叶克强课题组揭示炎症激活的C/EBPβ/AEP信号通路介导高脂饮食诱发的糖尿病及阿尔兹海默症；Mol Psychiatry︱叶克强课题组揭示C/EBPβ/AEP信号通路介导了动脉粥样硬化及其诱发的阿尔兹海默症）

1.  鱼藤酮诱导SNCA转基因幼龄小鼠肠道生态失调

PD患者的肠道微生物组已被广泛研究，但由于饮食、药物、遗传多样性等原因，差异太大，无法得出一致的结论，因此作者采用严格控制对照的PD小鼠模型进行研究以获取主要核心结论， 然后再延伸到PD病人肠道菌种上。作者首先采用低剂量鱼藤酮（2.5 mg/kg）灌胃建立PD小鼠模型，结果显示低剂量鱼藤酮在肠道粘膜下神经丛特别是肠道TH阳性的多巴胺能神经元中产生p-S129 α-Syn，引起胃肠道传输时间延长、粪便水分减少和结肠长度缩短。通过对SNCA Tg and SNCA/AEP KO小鼠粪便微生物组分析后发现，拟杆菌属（Bacterodia), 普氏菌和紫单胞菌（Provotella and Odoribactor families），罗伊氏乳杆菌（Lactobacillus reuteri）在鱼藤酮处理的SNCA Tg小鼠粪便中显著减少，而在SNCA/AEP KO小鼠中上述改变却并不明显。普氏菌属（Prevotella）是人类结肠微生物群中的主要有益菌种，与免疫系统的激活以及炎症有关，在PD患者的粪便标本中含量明显降低。作者发现与对照组相比，鱼藤酮处理的SNCA Tg小鼠粪便中普氏菌属的丰度减少约2倍，颤螺菌属（Oscillospira）、毛螺菌科（Lachnospiraceae）、瘤胃球菌和肝螺杆菌（Ruminococcus gnavus和 Helicobacter hepaticus）数量均有所增加（图1）。肝螺杆菌多定植于小鼠小肠、盲肠和结肠，它会在IBD小鼠模型中诱发肠道炎症，甚至结肠炎。以上证据提示肝螺杆菌在PD小鼠模型的粪便中表达丰度增加，可通过刺激肠道产生炎症参与了PD的发病过程。

图1 长期低剂量鱼藤酮处理引起SNCA和SNCA/AEP KO小鼠粪便样本中特定微生物群落不平衡（图源： E.H. Ahn et al., Mol Psychiatry, 2022）

2.  慢性DSS治疗诱导SNCA转基因小鼠肠道便秘和PD样发病机制

葡聚糖硫酸钠盐（DSS）常用来制作结肠炎的模型，DSS诱导的慢性轻度肠道炎症可加速A53T小鼠的脑组织病理严重程度和运动功能障碍。作者用0.5% DSS连续处理SNCA Tg和SNCA Tg/AEP KO小鼠3个月，发现肠道组织中酪氨酸羟化酶（TH）的表达显著减少，同时伴有黏膜下层神经组织中p-S129 α-Syn表达的显著增加。在SNCA Tg小鼠中，DSS显著降低了结肠长度和小鼠排便频率，增加了粪便的肠道通过时间，SNCA/AEP KO小鼠则不存在上述肠道功能障碍（图2）。这提示AEP参与了DSS诱发的SNCA Tg小鼠肠道PD样病理的产生和肠道功能障碍。

作者进一步通过粪便PCR分析发现，肝螺杆菌的丰度在DSS处理的SNCA Tg小鼠中显著增加，SNCA/AEP KO小鼠的细菌数量几乎没有变化，这些结果提示DSS处理增加了SNCA Tg小鼠粪便中肝螺杆菌的丰度。

图 2 DSS引起SNCA Tg小鼠便秘和肠道组织产生PD样病理改变

（图源： E.H. Ahn et al., Mol Psychiatry, 2022）

3.  PD患者粪便移植能够诱发抗生素预处理后的SNCA Tg小鼠多巴胺能神经元丢失，慢性炎症和运动功能障碍

为了进一步阐明肠道微生物群在PD运动障碍的发展中的因果作用，作者将PD患者的粪便标本移植到SNCA Tg小鼠肠道中，2个月后发现SNCA Tg小鼠结肠组织和脑组织中的α-Syn，p-S129 α-Syn，AEP，α-Syn N103片段和剪切caspase-3表达水平显著升高，SNCA/AEP KO 小鼠则不存在上述病理改变（图3）。这表明PD粪便菌群移植能够在SNCA Tg 小鼠中引发神经炎症、多巴胺能神经元变性和运动障碍，这一病理过程是依赖于AEP激活的。

图 3 PD患者粪便移植能够诱发抗生素预处理后的SNCA Tg小鼠多巴胺能神经元丢失和运动功能障碍

（图源： E.H. Ahn et al., Mol Psychiatry, 2022）

4.  活性肝螺杆菌引发SNCA转基因小鼠的多巴胺能神经元损失和运动缺陷

作者进一步在低剂量鱼藤酮处理的SNCA Tg小鼠粪便微生物组分析中鉴定出肝螺杆菌，结合SNCA小鼠DSS处理后肝螺杆菌的富集以及PD患者肠道微生物群中肝螺杆菌的高丰度，表明肝螺杆菌在SNCA Tg小鼠肠道和大脑中发挥致病作用。

为了评估肝螺杆菌是否起到核心致病作用，作者分别将有活性和无活性的肝螺杆菌接种到抗生素处理后的SNCA Tg小鼠肠道中，分别在小鼠肠道和脑组织中观察了到了α-Syn，p-S129 α-Syn，AEP，α-Syn N103片段和剪切caspase-3表达水平显著升高，这一病理改变是AEP依赖性的（图4）。以上证据表明肝螺杆菌能够引发 SNCA Tg 小鼠神经炎症、多巴胺能神经元变性和运动障碍，这一病理过程是依赖于AEP激活的。

图 4 活性肝螺杆菌能够诱发抗生素处理后的SNCA Tg小鼠多巴胺能神经元丢失和运动功能障碍

（图源： E.H. Ahn et al., Mol Psychiatry, 2022）

5.  肝螺杆菌引起SNCA Tg小鼠α-突触核蛋白病变和便秘

为了进一步探究肝螺杆菌在体内的病理作用，作者对肠道切片进行了IHC染色，发现有活性的肝螺杆菌较无活性肝螺杆菌在SNCA Tg小鼠的结肠中诱发产生更多的p-S129 α-Syn病理。同时活性肝螺杆菌处理能够使SNCA Tg小鼠粪便水分和结肠长度减少，减少黑质TH阳性的多巴胺神经元数目，而AEP基因敲除能够大幅度减少上述病理改变（图5）。以上证据表明肝螺杆菌通过激活AEP引起PD小鼠便秘和肠道α-突触核蛋白病理，最终导致中脑多巴胺能神经元变性和运动障碍。

图 5 活性肝螺杆菌能够诱发SNCA Tg小鼠PD样病理和运动功能障碍

（图源： E.H. Ahn et al., Mol Psychiatry, 2022）

文章结论与讨论，启发与展望

综上所述，作者通过长期低剂量鱼藤酮口服建立经典帕金森病（PD）小鼠模型，探索PD肠道微生物群之间的差异并确定导致PD发病机制的关键细菌种类——肝螺杆菌。作者进一步采用动物实验验证肝螺杆菌通过激活AEP这一核心蛋白分子，引起PD小鼠便秘和肠道α-突触核蛋白（α-Syn）病理，最终导致中脑多巴胺能神经元变性和运动障碍。

需要进一步指出的是，目前尚不清楚肝螺杆菌的何种代谢产物在肠道炎症、便秘、PD样病理改变和运动障碍中发挥关键致病作用。后续的研究应侧重于鉴定肝螺杆菌的有害代谢产物，并阐明它们如何触发C/EBPβ/AEP通路，从而导致PD的发病。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41380-022-01910-2

通讯作者叶克强教授

（照片提供自：深理工生命健康学院生物学叶克强实验室）

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通讯者简介（上下滑动阅读）

叶克强教授是深理工生命健康学院生物学系主任，曾任美国埃默里大学终身教授。他是世界公认的神经退行性疾病领域国际权威，尤其在小分子化合物靶向药物治疗神经退行性疾病方向取得了突破性进展，他所发现的多个药物现已经或即将进入临床试验。曾主持美国国立卫生研究院和美国癌症协会/基金会等基金资助，总研究经费超过3000万美元；先后发表论文255篇，总影响因子超过2900分，H因子71，被引次数共计18300次；获批13项发明专利。其中，众多文章发表在国际著名科学杂志上，包括Nature（2篇）、Cell（2篇）等。叶教授目前正带领团队进行与衰老相关疾病新药物的开发研究。此次发布的科研成果，也是其在神经退行性疾病机制研究领域取得的又一重要进展。

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参考文献（上下滑动阅读） 

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本文完