腸道菌群影響小鼠小膠質細胞，且雌雄有別！

07-05

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細胞

Microbiome Influences Prenatal and Adult Microglia in a Sex-Specific Manner.

文獻ID：

發表期刊：cell

時間：2017-12-22

影響因子：30.410

作者：Morgane Sonia Thion

關鍵詞：小膠質細胞、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元類群，數量及基因表達等指標存在性別二態性。12月21日，刊載在Cell文章，基於大規模轉錄組數據提供了小膠質細胞具有的性別二態性及其與腸道菌群關聯的證據，揭示小膠質細胞如何應對外界環境刺激，增加了認識腦的兩性異形的維度。

實驗方案：

研究背景

小膠質細胞（Microglia）是腦中的巨噬細胞，被視作中樞神經系統抵禦病原入侵的第一道防線。其源於卵黃囊(yolk-sac,YS)中巨噬細胞，在小鼠的第一個神經元產生時進入大腦（E9.5）並在成體階段更新。除了發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育，穩態維繫和其他生理病理功能調控中，如在細胞和環路水平調節突觸傳遞、突觸修剪和形成、細胞的存活和死亡等。小膠質細胞的多重角色與神經發育和神經退行性疾病，包括阿爾茲海默氏症(Alzheimer』sdisease, AD)、帕金森症(Parkinson』sdisease,PD)、自閉症(Autism spectrum disorders, ASD)、多發性硬化症(Multiplesclerosis, MS)等的發生髮展密切相關。

近年，關於腸道菌群在調控腦環路，神經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酵產物短鏈脂肪酸(short-chainfatty acids, SCFA)釋放不足，會影響到小膠質細胞的穩態。這些研究提示，小膠質細胞是胚胎及成體階段，環境信號感知-神經環路塑造交互界面的主要節點。需要注意的是，與外部環境信號相比，性別差異對小膠質功能的影響不容忽視。，小膠質細胞在發育階段轉錄組亦存在性別差異。鑒於某些疾病表現出顯著的性別易感性，解析生物性別因素對小膠質細胞分化和功能的影響，更清楚地認識小膠質細胞的功能，對臨床疾病的診斷和治療尤為重要。

主要內容

1. 不同發育階段的小膠質細胞環境感知基因圖譜

為了解小膠質細胞的分化和成熟，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)、胚胎髮育1期(E12.5to E14.5)、胚胎髮育2期(E16.5toP0)、成體階段。結果表明，小膠質細胞在腦發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個與環境感知相關的特異高表達基因。小膠質細胞在子宮內的感知基因表達，表明其可能響應胚胎髮生的過程中局部和全身性的信號變化。

圖1.Microglia不同發育階段，表達特定環境感知基因。

2. 成體小膠質細胞獲得性別二態性轉錄指紋

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細胞，進行RNA-seq。數據顯示，胚胎期轉錄組的性別二態性有限但在成體階段顯著增加，小膠質細胞在雌性個體中表現出更強的免疫激活狀態，SPF雌性小鼠響應干擾素刺激的基因高表達，成年雌雄個體環境感知基因(如Gpr34和Ccrl2)有性別差異的。

圖2.小膠質細胞逐漸獲得性別相關的轉錄特徵譜。

3. 腸道菌群對轉錄組影響與發育階段和性別相關

成體中腸道菌群對小膠質細胞有影響，研究者希望確定母源性微生物是否在出生前即對小膠質細胞的發育起作用。通過分析不同時期的小膠質細胞的轉錄組圖譜(E14.5,E18.5和P60)，揭示腸道菌群調控炎症(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細胞基因表達影響較大，成年雌性個體持續的無菌狀態對小膠質細胞亦有顯著影響。小膠質細胞在出生前階段即可響應母體腸道菌群的的缺失，並在兩性個體中表現出相應階段的特定反應（細胞形態，翻譯調控，免疫反應，趨化性等方面）。除了轉錄組外，源性腸道菌的缺乏也使得小膠質細胞的定植(圖式)?同樣表現出性別和時間特異性(見原文Figure4)。

圖3.母源性腸道菌的缺乏對小膠質細胞的影響具有性別和時間特異性。

4. 無菌小鼠的染色質可接近性經歷短時變化

為進一步評估無菌狀態的影響，對E14.5，E18.5和P60階段的小鼠腦小膠質細胞進行了ATAC-seq分析(Assayfor Transposase Accessible Chromatinsequencing)。在SPF小鼠和GF小鼠中，胚胎期和成體階段的差異可接近區域(differentiallyaccessible regions,DARs)區別顯著。有意思的是，從E14.5到E18.5的發育期，SPF小鼠胚胎的幾個區域染色質可接近性上升，GF小鼠卻沒有。整體數據表明在胚胎髮育階段，腸道菌群即可引起大範圍的輕微的染色質可接近性的改變，調控關鍵靶基因如Ly86的表達,且雌性成年個體更易受到菌群缺失的影響，這一點與轉錄組的數據是一致的。

圖4.腸道菌的缺乏會出現染色質可接近性短時變化。

5. 抗生素處理引起的小膠質細胞轉錄組輕度修飾具有性別二態性

無菌狀態對成體小膠質細胞的影響可能來自於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周之後的SPF小鼠和對照組小鼠的小膠質細胞進行RNA-seq分析，結果發現抗生素處理對小膠質細胞的轉錄組指紋的改變呈現性別差異，且成體GF小鼠小膠質細胞的變化主要是發育階段長時期腸道菌群缺失帶來的影響。

圖5.抗生素處理引起的小膠質細胞轉錄組輕度修飾具有性別差異。

6. 人和小鼠的胎兒小角質細胞核心轉錄指紋保守

完成對小鼠的一系列測試後，文章進一步提供了人的相關數據。來源於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時期小鼠的小膠質細胞轉錄特徵圖譜是較為接近的。人在妊娠中期高表達環境感知基因，包括Csf1R,Cx3cr1,Ifngr1, Cxcl16和Ly86等。儘管，人的小膠質細胞在妊娠中期不具有性別二態性，但是已經獲得環境感知基因的表達能力，賦予其與小鼠同樣的在子宮內應對環境變化的能力。

圖6.妊娠中期人類和小鼠胎兒小膠質細胞的共享特徵。

小結

該項工作揭示小膠質細胞在性別依賴的細胞特徵和外界環境因素（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出性別和年齡相關的基因表達差異。出生前的個體，小膠質細胞的性別二態性有限，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，這對於小膠質細胞相關的性別易感性疾病的臨床研究具有重要意義。

研究者強調小膠質細胞是生理及病理條件下腦環路構築的重要參與者。為了更明晰地回答這個問題，進一步探索胚胎髮育階段小膠質細胞的功能，在該階段如何啟動局部及全身信號來影響神經環路，進入成體階段後在不同環境刺激下又是怎樣獲得了性別二態性等問題將有助於解析小膠質細胞-腸道菌群通路對神經環路的影響，為小膠質細胞相關的神經系統性疾病的治療提供新的方法。

Reference:

Cell.,2017. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.cell.2017.11.042. Microbiome Influences Prenatal and Adult Microglia in a Sex-SpecificManner.

Additionalreferences:

Science., 19 Aug 2016: Vol. 353, Issue 6301, aad8670. DOI: 10.1126/science.aad8670. Microglia development follows a stepwise program to regulate brain homeostasis.
Nat Neurosci., 18, 965–977 (2015). doi:10.1038/nn.4030. Host microbiota constantly control maturation and function of microglia in the CNS.