全基因組篩查腸道微生物在調節神經退行性疾病中的研究

　　越來越多的證據表明，腸道微生物在調節神經退行性疾病(如帕金森病)的進展方面發揮著關鍵作用。這種微生物與宿主相互作用的分子機制還不清楚。在本研究中，作者通過用大腸桿菌敲除突變體喂養表達人α-syn的秀麗隱桿線蟲，進行了全基因組篩選，以確定促進宿主神經變性的細菌基因。

　　神經退行性疾病的特征是蛋白質錯誤折疊和聚集，導致β-片結構豐富的淀粉樣原纖維的形成。這種蛋白質聚集引發蛋白質毒性，最終導致神經元死亡。DA神經元的缺失導致紋狀體多巴胺信號的減少，從而導致PD患者運動功能受損。α-syn是一個小的(140個氨基酸)蛋白質，由一個n端結構域、一個非a -β組成的結構域(是纖維化核心)和一個羧基末端區域組成。n端結構域的錯義突變，如A30P、G46K和A53T，通過產生比野生型更容易錯誤折疊和聚集的突變蛋白，導致常染色體顯性家族性PD。突變的α-syn蛋白形成有毒的β-片狀低聚物，導致線粒體功能障礙、氧化應激、鈣穩態破壞和神經炎癥，這些都導致神經變性。目前缺乏有效的預防α-syn聚集的治療干預。

　　近年來的研究表明，腸道菌群可能在神經退行性疾病的發病機制中發揮重要作用。例如，抗生素治療改善了PD小鼠的病理生理，治療后的微生物再定殖恢復了PD癥狀。與移植健康供者的菌群相比，PD患者的α-syn過表達小鼠的定植加重了身體損害。除了動物模型，臨床研究也為帕金森病中腸道和大腦的微生物聯系提供了證據。胃腸功能障礙是PD患者的常見癥狀，幽門螺桿菌感染與疾病的嚴重程度和進展有關。對PD患者的糞便樣本進行測序發現，與健康個體相比，腸道細菌組成發生了變化(例如，乳酸桿菌科增加。與PD相似，阿爾茨海默病(AD)小鼠模型中的腸道細菌促進了淀粉樣蛋白病理(10)，AD患者的腸道微生物組組成也發生了改變。

　　盡管紊亂的腸道微生物群和神經退行性疾病的發展之間的聯系日益密切，但對細菌和神經系統之間通信的機械學理解是有限的。大多數理論關注的是全身炎癥和異常微生物引起的神經炎癥的神經退行性影響。細菌蛋白或代謝物是否能直接作用于宿主神經元，以模塊由α-syn或A-β蛋白毒性引起的神經退行性變進程尚不清楚。這種局限性很大程度上是由于缺乏一個簡單的模型來系統地測試單個細菌的成分對神經元的影響。

　　為了解決這一問題，作者采用秀麗隱桿線蟲PD模型，在秀麗隱桿線蟲神經元中表達人α-syn蛋白，研究微生物對PD的調控機制。由于秀麗隱桿線蟲以細菌作為其天然食物，且易于在單核苷酸條件下培養，因此它已成為模擬微生物與宿主相互作用的重要生物體。事實上，細菌基因組的改變影響了線蟲的發育、代謝和行為。一些研究也表明某些細菌代謝物可以影響線蟲的神經變性。

　　細菌卷曲促進α-syn聚集

　　在本研究中，作者篩選了所有非必要的大腸桿菌基因對PD發病機制的影響，通過將單個大腸桿菌敲除突變體喂養到PD c elegans并評估神經變性的嚴重程度。該篩選鑒定了38個大腸桿菌基因，這些基因的缺失導致PD癥狀的改善。這些基因來自不同的遺傳途徑，包括卷曲素的形成、脂多糖(LPS)的產生、溶菌酶的抑制、腺苷鈷胺的合成和氧化應激反應，表明不同的細菌成分可以促進神經變性。

　　通過抗體染色和生化分析，作者發現CsgA促進了α-syn的聚集，并且去除細菌飼料中的卷曲菌可以使α-syn依賴蛋白酶體降解。重要的是，作者證明了細菌來源的CsgA和α-syn在多巴胺能神經元中的體內共定位和交叉播種;這種交叉播種顯著增強了α-syn的聚集。

　　此外，該研究結果擴展到線蟲模型的AD、肌萎縮性側索硬化癥(ALS)和亨廷頓病(HD)以及人神經母細胞瘤SH-SY5Y細胞。總的來說，該研究表明，細菌成分，如卷曲，可以直接影響神經退化。