鑽石舞台

背景

近年來，小膠質細胞在腦生理病理衰老中得到了廣泛的研究。在正常的大腦衰老過程中，小膠質細胞顯示出一種獨特的轉錄特徵，在許多方面都朝着神經退化的方向發展。同時，老年人腦小膠質細胞被定義為營養不良；其特徵在於形態變化和減少的組織支持。與年齡相關的小膠質細胞穩態變化不僅僅是內在的，還通過中樞神經系統和周圍環境之間的雙向相互作用來介導。這種聯繫的重要性日益得到認可，並且似乎是由各種系統性因素介導的，例如腸道微生物群，它沿微生物群腸道腦軸發出信號。腸道菌群通過調節小膠質細胞的功能和成熟，是腸道與大腦溝通的關鍵介質。這種交流的失調可能是介導年齡相關的小膠質細胞生理學下降的關鍵。這方面的一個重要問題是，隨着人類和小鼠的衰老，腸道微生物群的組成發生了實質性變化。這些與年齡相關的變化可能會改變微生物代謝組學或改變腸道通透性，從而增加腸道衍生代謝產物的血液濃度。事實上，小鼠中的異時微生物群移植已顯示可逆轉與年齡相關的認知功能減退，伴有海馬區小膠質細胞基因表達的改變。雖然已知腸道代謝產物可到達大腦，但其對小膠質細胞衰老的具體影響尚不清楚。

在本研究中，我們描述了一個年輕成年小鼠和老年小鼠腸道微生物群與大腦之間交流的橫斷面框架。特定的轉錄譜為腸道微生物群如何影響衰老大腦中小膠質細胞的穩態提供了新的見解。代謝產物水平的分子表型鑑定出CML，一種主要的晚期糖基化終產物 (AGE)，是導致與年齡相關的小膠質細胞功能障礙的關鍵化合物。

簡介

2022年3月3日，來自德國弗萊堡大學醫學院的Thomas Blank及其團隊在Nat Neurosci(IF: 20.071)雜誌上發表名為Gut microbiota drives age-related oxidative stress and mitochondrial damage in microglia via the metabolite N6-carboxymethyllysine的研究[1]。

主要結果

在衰老過程中，腸道微生物群會改變小膠質細胞的轉錄組特徵。 據報道，隨着大腦皮層的衰老，小膠質細胞密度更高。我們證實了年輕和老年小鼠之間無特定病原體 (SPF)和無菌 (GF)動物皮質中的小膠質細胞密度增加，但未發現老年SPF和GF小鼠之間的差異。小膠質細胞衰老最突出和最早發現的特徵之一是其形態發生變化。這些形態改變包括細胞質珠形成和縮短過程。為了確定SPF和GF小鼠小膠質細胞的潛在形態學變化，我們進行了定量形態學重建。SPF小鼠小膠質細胞的總分支面積、總分支長度和分支點數目均顯著減少，細胞體體積增加。各組間的細胞體球形度沒有改變。從這些數據中可以明顯看出，年齡對SPF小鼠的小膠質細胞形態有着深遠的影響，而在GF條件下，小膠質細胞沒有發生改變和高度分支化。

為了進一步評估衰老腦中小膠質細胞生理學的微生物群依賴性改變，我們在熒光激活細胞分選 (FACS)上進行了RNA測序 (RNA-seq)——從年輕成年 (6-10周齡)和老年 (96-104周齡)雄性和雌性小鼠的全腦中純化小膠質細胞，飼養在GF或SPF條件下 (圖1a)。主成分分析 (PCA)突出了兩個年齡組的GF和SPF小鼠中小膠質細胞的差異基因表達譜 (圖1b)。有趣的是，從GF和SPF小鼠分離的小膠質細胞之間的轉錄組差異在老年時更為顯著 (圖1c)。值得注意的是，與來自SPF小鼠的小膠質細胞相比，在GF小鼠的小膠質細胞中出現了與年齡無關的基因表達模式 (小膠質細胞GF特徵)，其包括與細胞骨架 (例如Sdc3、Sult1a1和Tuba4a)和免疫功能 (例如Ctse、Ero1lb、Htra3、Kcnma1、Notch4、Nr1d2、Rab4a和Wdf y1)相關的基因 (圖1d)。此外，小膠質細胞GF特徵包含與線粒體功能調節相關的基因 (例如，B4galnt1、Gpr137b、Gstm1、Mcur1、Mtfp1、Nnt和Plcd3)，表明微生物群具有調節小膠質細胞代謝特徵的能力 (圖1d)。

圖1. 微生物群協調年輕和老年小鼠的小膠質細胞轉錄組

隨着年齡的增長，CML的微生物群依賴性積累。 考慮到微生物群中與年齡相關的變化，我們試圖通過檢查血清和大腦組織中隨年齡變化的代謝產物來確定參與小膠質細胞衰老的代謝產物。短鏈脂肪酸 (SCFAs)是調節成年小鼠小膠質細胞功能的一組重要代謝產物。我們使用靶向液相色譜質譜 (LC MS)代謝產物分析測定了年輕和老年SPF小鼠血清樣本中的SCFAs濃度 (圖3a)。與年輕成年小鼠相比，在老年小鼠的血清中發現乙酸鹽和丙酸鹽的濃度升高。丁酸鹽/異丁酸鹽和戊酸鹽/異戊酸鹽沒有發生變化 (圖3a)。為了應用更無偏倚的篩選，我們重新檢查了來自我們最近研究的非靶向代謝組學數據集，並側重於來自在SPF條件下飼養的年輕成年小鼠和老年小鼠的血清和大腦樣本 (圖3b，c)。通路富集分析顯示多種組織特異性通路改變。如老年小鼠血清中嘧啶、肌醇、肉鹼及幾種與氨基酸代謝相關的通路 (如賴氨酸、多胺、酪氨酸)受影響較大。老年小鼠大腦中的維生素A、生育酚、嘌呤代謝、神經酰胺相關通路和戊糖磷酸通路發生了特異性改變。在老年小鼠的血清和腦樣本中，脂肪酸代謝和晚期糖基化終產物 (AGEs)的通路通常發生改變。由於我們試圖識別可能受腸道調節並通過血流到達大腦的代謝產物，因此我們重點研究了在老年小鼠血清和腦組織中顯著上調的代謝產物。這些代謝產物包括棕櫚酸酯、三甲胺N-氧化物 (TMAO)、1-油酰-2-二十二碳六烯酸酯-甘油磷酰膽鹼、CML和水蘇鹼 (圖3d)。在小鼠中觀察到的一些與年齡相關的濃度變化已在人類血液樣本中得到證實。來自人類衰老隊列的血清/血漿的非靶向代謝組學概括了在小鼠中觀察到的CML (圖3e)和TMAO (圖3f)的年齡相關濃度變化。來自年輕和老年SPF和GF小鼠腦組織的靶向代謝組學結果表明，功能性腸道微生物群 (SPF)是老年小鼠腦組織中CML和TMAO增加的必要條件。與年輕GF小鼠相比，老年GF小鼠僅表現出輕微變化 (圖3g)。

圖3. 血清和大腦代謝產物的微生物群和年齡相關調節

衰老的微生物群通過破壞腸道血屏障來刺激CML水平。 由於我們觀察到CML水平和小膠質細胞功能的差異 (尤其是在老年時)取決於是否存在微生物群，我們選擇用16S核糖體RNA-seq來表徵年齡依賴性腸道微生物群改變。通過使用Bray Curtis相異度度量以及Shannon和Simpson α多樣性度量的β多樣性分析，確認了年輕和老年小鼠的微生物群特徵的獨特性。兩個年齡組的腸道微生物群由兩個門主導，即厚壁菌門和擬桿菌門。隨着人類年齡的增長，厚壁菌屬與擬桿菌屬的相對豐度比會發生變化，並且可能與不同年齡階段的細菌概況的總體變化相關聯。我們觀察到厚壁菌門與擬桿菌門比值出現顯著的年齡依賴性降低，其中老年小鼠的厚壁菌門 (Lachnospiraceae)明顯減少。當我們更仔細地觀察細菌屬時，我們發現老年小鼠中腸桿菌屬、別動桿菌屬、擬桿菌屬、雙歧桿菌屬、馬其頓菌屬、嚴格意義上的阿利斯泰爾斯菌屬、消化鏈球菌科因斯特氏菌屬和對羥基苯甲酸酯的豐度增加。這與在老年小鼠中含量下降的泛菌屬、無氧芽孢桿菌屬、拉克索匹拉科隱球菌屬、分支桿菌屬和乙酸桿菌屬的豐度形成對比。因此，我們可以推斷，對年輕和老年小鼠的微生物群進行分析表明了幾個分類水平的改變。由於老年SPF小鼠的大腦中CML水平比老年GF小鼠更高，因此我們預計會CML的產生依賴於微生物群。糞便顆粒中CML的目標代謝組學 (LC MS)測量結果揭示了完全相反的情況：老年 GF 小鼠糞便顆粒的 CML 水平高於老年 SPF 小鼠，這表明微生物群在大腦中與年齡相關的CML累積中起間接作用 (圖5a)。

圖5. 隨着年齡的增長，腸道血屏障的破壞會引起CML的激增

結論及展望

總而言之，本研究確定並驗證了CML在老年小鼠小膠質細胞中的氧化應激和線粒體功能障礙中的關鍵作用。年輕成年小鼠口服CML對小膠質細胞穩態幾乎沒有負面影響。CML 需要促進 CML 從腸道進入循環系統才能表現出其有害影響。腸道微生物群的組成會隨着年齡的增長而變化，在老年時會導致腸道通透性升高，並在這一過程中發揮關鍵作用。所有這些機制在小膠質細胞衰老中都發揮着重要作用，並有望在小鼠和人類中樞神經系統的整體衰老中發揮作用。

原文鏈接

https://www.nature.com/articles/s41593-022-01027-3

參考文獻

1.Mossad Omar,Batut Bérénice,Yilmaz Bahtiyar et al. Gut microbiota drives age-related oxidative stress and mitochondrial damage in microglia via the metabolite N-carboxymethyllysine.[J] .Nat Neurosci, 2022, 25: 295-305.

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