肠道菌群以性别依赖性的方式影响幼体及成体小鼠小胶质细胞
Microbiome Influences Prenatal and Adult Microglia in a Sex-Specific Manner.
文献ID：
发表期刊：cell
时间：2017-12-22
影响因子：30.410
作者：Morgane Sonia Thion
关键词：小胶质细胞、肠脑轴、性别依赖型
导读
大脑的两性异形，包括细胞和环路水平构成了性别行为差异的生物学基础。细胞水平的研究已证实神经元类群，数量及基因表达等指标存在性别二态性。12月21日，刊载在Cell文章，基于大规模转录组数据提供了小胶质细胞具有的性别二态性及其与肠道菌群关联的证据，揭示小胶质细胞如何应对外界环境刺激，增加了认识脑的两性异形的维度。
实验方案：
研究背景
小胶质细胞（Microglia）是脑中的巨噬细胞，被视作中枢神经系统抵御病原入侵的第一道防线。其源于卵黄囊(yolk-sac,YS)中巨噬细胞，在小鼠的第一个神经元产生时进入大脑（E9.5）并在成体阶段更新。除了发挥免疫细胞的作用外，同时也在出生前和成体阶段参与到个体的脑发育，稳态维系和其他生理病理功能调控中，如在细胞和环路水平调节突触传递、突触修剪和形成、细胞的存活和死亡等。小胶质细胞的多重角色与神经发育和神经退行性疾病，包括阿尔兹海默氏症(Alzheimer’sdisease, AD)、帕金森症(Parkinson’sdisease,PD)、自闭症(Autism spectrum disorders, ASD)、多发性硬化症(Multiplesclerosis, MS)等的发生发展密切相关。
近年，关于肠道菌群在调控脑环路，神经生理和行为的报道别开生面。研究表明，肠道菌群的缺失与失衡会加速ASD和PD动物模型疾病进程且菌群的发酵产物短链脂肪酸(short-chainfatty acids, SCFA)释放不足，会影响到小胶质细胞的稳态。这些研究提示，小胶质细胞是胚胎及成体阶段，环境信号感知-神经环路塑造交互界面的主要节点。需要注意的是，与外部环境信号相比，性别差异对小胶质功能的影响不容忽视。，小胶质细胞在发育阶段转录组亦存在性别差异。鉴于某些疾病表现出显著的性别易感性，解析生物性别因素对小胶质细胞分化和功能的影响，更清楚地认识小胶质细胞的功能，对临床疾病的诊断和治疗尤为重要。
主要内容
1. 不同发育阶段的小胶质细胞环境感知基因图谱
为了解小胶质细胞的分化和成熟，研究者分别分析了4个不同时期的差异表达基因，即祖细胞阶段(YSM/E10.5)、胚胎发育1期(E12.5to E14.5)、胚胎发育2期(E16.5toP0)、成体阶段。结果表明，小胶质细胞在脑发育的不同阶段具有特殊的功能。与此同时，分别鉴定出胚胎期和成体9个与环境感知相关的特异高表达基因。小胶质细胞在子宫内的感知基因表达，表明其可能响应胚胎发生的过程中局部和全身性的信号变化。
图1.Microglia不同发育阶段，表达特定环境感知基因。
2. 成体小胶质细胞获得性别二态性转录指纹
研究者从E18.5胚胎（性激素合成起始）和SPF级雌雄成体小鼠脑中分选小胶质细胞，进行RNA-seq。数据显示，胚胎期转录组的性别二态性有限但在成体阶段显著增加，小胶质细胞在雌性个体中表现出更强的免疫激活状态，SPF雌性小鼠响应干扰素刺激的基因高表达，成年雌雄个体环境感知基因(如Gpr34和Ccrl2)有性别差异的。
图2.小胶质细胞逐渐获得性别相关的转录特征谱。
3. 肠道菌群对转录组影响与发育阶段和性别相关
成体中肠道菌群对小胶质细胞有影响，研究者希望确定母源性微生物是否在出生前即对小胶质细胞的发育起作用。通过分析不同时期的小胶质细胞的转录组图谱(E14.5,E18.5和P60)，揭示肠道菌群调控炎症(检测和)?反应相关基因的早期表达。母源性肠道菌的缺乏对胚胎期雄性个体的小胶质细胞基因表达影响较大，成年雌性个体持续的无菌状态对小胶质细胞亦有显著影响。小胶质细胞在出生前阶段即可响应母体肠道菌群的的缺失，并在两性个体中表现出相应阶段的特定反应（细胞形态，翻译调控，免疫反应，趋化性等方面）。除了转录组外，源性肠道菌的缺乏也使得小胶质细胞的定植(图式)?同样表现出性别和时间特异性(见原文Figure4)。
图3.母源性肠道菌的缺乏对小胶质细胞的影响具有性别和时间特异性。
4. 无菌小鼠的染色质可接近性经历短时变化
为进一步评估无菌状态的影响，对E14.5，E18.5和P60阶段的小鼠脑小胶质细胞进行了ATAC-seq分析(Assayfor Transposase Accessible Chromatinsequencing)。在SPF小鼠和GF小鼠中，胚胎期和成体阶段的差异可接近区域(differentiallyaccessible regions,DARs)区别显著。有意思的是，从E14.5到E18.5的发育期，SPF小鼠胚胎的几个区域染色质可接近性上升，GF小鼠却没有。整体数据表明在胚胎发育阶段，肠道菌群即可引起大范围的轻微的染色质可接近性的改变，调控关键靶基因如Ly86的表达,且雌性成年个体更易受到菌群缺失的影响，这一点与转录组的数据是一致的。
图4.肠道菌的缺乏会出现染色质可接近性短时变化。
5. 抗生素处理引起的小胶质细胞转录组轻度修饰具有性别二态性
无菌状态对成体小胶质细胞的影响可能来自于母源性肠道菌的缺乏，但也可能是成体阶段菌群的不足导致的。为解决这个问题，研究者对抗生素处理1周之后的SPF小鼠和对照组小鼠的小胶质细胞进行RNA-seq分析，结果发现抗生素处理对小胶质细胞的转录组指纹的改变呈现性别差异，且成体GF小鼠小胶质细胞的变化主要是发育阶段长时期肠道菌群缺失带来的影响。
图5.抗生素处理引起的小胶质细胞转录组轻度修饰具有性别差异。
6. 人和小鼠的胎儿小角质细胞核心转录指纹保守
完成对小鼠的一系列测试后，文章进一步提供了人的相关数据。来源于14-24周终止妊娠的男性和女性胎儿的差异表达基因分析表明，人的小胶质细胞在妊娠中期是没有性别差异的。此时人和E16.5时期小鼠的小胶质细胞转录特征图谱是较为接近的。人在妊娠中期高表达环境感知基因，包括Csf1R,Cx3cr1,Ifngr1, Cxcl16和Ly86等。尽管，人的小胶质细胞在妊娠中期不具有性别二态性，但是已经获得环境感知基因的表达能力，赋予其与小鼠同样的在子宫内应对环境变化的能力。
图6.妊娠中期人类和小鼠胎儿小胶质细胞的共享特征。
小结
该项工作揭示小胶质细胞在性别依赖的细胞特征和外界环境因素（即肠道菌群）相互影响中的作用，在应对肠道菌群缺乏时表现出性别和年龄相关的基因表达差异。出生前的个体，小胶质细胞的性别二态性有限，但在成体阶段，其对肠道菌群的响应，无论是短期的还是长期的都具有显著的性别偏向，这对于小胶质细胞相关的性别易感性疾病的临床研究具有重要意义。
研究者强调小胶质细胞是生理及病理条件下脑环路构筑的重要参与者。为了更明晰地回答这个问题，进一步探索胚胎发育阶段小胶质细胞的功能，在该阶段如何启动局部及全身信号来影响神经环路，进入成体阶段后在不同环境刺激下又是怎样获得了性别二态性等问题将有助于解析小胶质细胞-肠道菌群通路对神经环路的影响，为小胶质细胞相关的神经系统性疾病的治疗提供新的方法。
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.
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