Nature ：肠道菌群促进肠道神经网络兴奋性维持肠道生理功能

来源：BioArt

撰文 | 雪月

神经系统调控机体内脏功能对维持健康至关重要。肠道蠕动对消化系统生理功能和宿主防御是非常关键的。肠道神经系统（enteric nervous system ENS）是调控胃肠道的内在神经网络，它调节肠道的各方面生理功能，包括肠道蠕动【1】。调控肠道生理功能的因素有很多，其中包括宿主特异性遗传因素、肠道微生物和饮食。肠道微生物的变化常常伴随肠道疾病的发生。有研究发现去除肠道微生物会降低肠道神经元的兴奋性从而导致肠道运动紊乱，蠕动能力降低。但是也有研究表明成年无菌小鼠的肠道神经元兴奋性会得到恢复，降低了肠道运动紊乱的现象。这也表明肠道神经网络存在监测肠道功能状态并相应调节神经元兴奋性的分子机制。尽管目前在饮食和肠道菌群通过肠道神经系统来调控肠道生理功能方面已经取得了很大进展，但是肠道微生物环境调节肠道神经系统和肠蠕动功能之间关系的分子机制尚不清楚。

2020年2月6日，来自英国伦敦Francis Crick研究所Vassilis Pachnis和Brigitta Stockinger课题组和瑞士的伯尔尼大学的Andrew J. Macpherson课题组联合在Nature上发表了题为Neuronal programming by microbiota regulates intestinal physiology的文章。作者发现转录因子芳香烃受体（aryl hydrocarbon receptor AHR）作为肠道神经网络的生物传感器，感应肠腔内的微生物环境而诱导性表达，并参与维持肠道神经元兴奋性，调控肠道生理功能。

作者首先探究了小鼠肠道神经元中对微生物做出响应而特异性上调的基因。作者认为目前肠道组织解离和ENS分离的方法会导致细胞损伤和非特异性转录组变化，于是开发出一种新方法：使用腺相关病毒AAV进行标记神经元，之后流式分离不同微生物状态下和不同肠段的肠道神经元细胞核RNA并进行nRNA-seq。为了减少饮食和饲养带来的复杂的环境因素，作者对无菌小鼠、来自Francis Crick研究所和瑞士的伯尔尼大学的小鼠进行上述方法的实验。综合三种小鼠对比发现结肠神经元中的254个基因在SPF小鼠的结肠神经元中表达上升，变化最明显的主要集中在神经元分化和功能相关基因。通过nRNA-seq对比无菌小鼠的小肠和结肠神经元中基因表达发现表达结肠神经元中上升的122个基因。对比无菌和SPF小鼠的结肠神经元nRNA，作者发现了25个基因在SPF级小鼠结肠神经元细胞中表达上升。之后去除掉包含在上述的122基因集中的基因，剩下的多个表达上升的基因与肠腔微生物定植相关，包括Ahr, Dand5 和Prr5。作者将重点放在了AHR分子。AHR编码的转录因子的转录活性受到微生物、饮食和内源性代谢物（AHR配体）的调节，并且在肠道上皮和免疫细胞稳态中起生物传感器的作用【2】。

为了探究是否存在肠道菌群-AHR-神经输出轴，作者进行了一系列的实验。作者首先免疫染色发现AHR主要在肌层神经元中表达，肠道神经元中AHR的表达与微生物载量相关，无菌小鼠和经抗生素治疗的小鼠结肠中神经元AHR的表达降低，在恢复微生物菌落重新定植后AHR表达回升。为了坚定AHR信号的靶向和效应基因，作者对比了对照组和给与小鼠AHR配体3-甲基胆蒽3MC处理后小鼠的细胞核转录组数据。在30个上调水平最高的基因中Ahrr 和 Cyp1a1是AHR信号的经典靶基因。在将P值标准放宽至P<0.06后作者发现基因Kcnj12也在30个变化最明显的基因集中，并且AHR和Kcnj12的表达存在相关性。

作者用AAV（AAV9-CaMKII-Cre to Ahrfl/fl;Rosa26eYFP）构建了肠道神经元特异性敲除AHR的小鼠发现结肠神经元细胞中Kcnj12表达下降。实验表明结肠神经元中受微生物表达调控的AHR能够实现细胞自主激活AHR靶基因的表达，并且促进结肠神经元兴奋性。作者进一步探究结肠神经元中AHR信号是否调控肠道运动功能。作者用结肠离体映射来记录结肠迁移运动确定了AHR活性能够支配结肠神经回路的生理输出。

CYP1A1介导AHR天然配体的清楚。作者构建的CYP1A1在结肠神经元特异性过表达小鼠和AHR特异性敲除的小鼠表型相似，肠道运动功能遭到破坏。野生型小鼠给与抗生素处理后AHR表达下降，肠道运动功能也下降。这些结果都表明结肠神经元中AHR信号调节肠道神经回路的运动输出。

总的来说，作者发现肠道神经元中AHR信号作为一个重要的调控结点，将肠道微生物环境和肠道神经网络的生理输出相结合，从而维持肠道生理功能。除了AHR此功能外，AHR也参与调控肠道上皮细胞和黏膜免疫系统的屏障功能。通过在多种细胞类型中传递环境触发因素，AHR活性共同整合到维持肠道稳态和宿主防御功能上。

原文链接：

https://doi.org/10.1038/s41586-020-1975-8