《Advanced Science》：The Microbiota Shapes Central Nervous System Myelination in Early Life
编辑推荐：
本综述揭示了生命早期肠道菌群通过微生物-肠-脑轴调控前额叶皮层（PFC）髓鞘形成的关键作用。研究采用无菌（GF）小鼠和斑马鱼模型，结合多组学分析，证实菌群缺失导致神经元活性、少突胶质细胞成熟及髓鞘生长完整性出现性别和年龄依赖性改变。菌群信号影响小胶质细胞稳态、突触修剪及谷氨酸等代谢通路，为理解神经发育障碍（如自闭症谱系障碍（ASD））的机制提供了新视角。
引言
中枢神经系统（CNS）轴突的髓鞘形成是一个终身过程，但在发育早期对神经回路塑造和信号传导效率至关重要。前额叶皮层（PFC）作为动态演化的大脑区域，其髓鞘化较晚，易受外部因素影响。传统上，髓鞘形成主要受遗传和环境因素调控，但新兴证据表明，肠道菌群及其信号分子是这一过程的关键介质。本研究通过跨物种方法（无菌小鼠和斑马鱼），探讨菌群如何调控早期髓鞘形成和神经发育。
菌群影响与前额叶皮层转录组发育轨迹相关的神经元活性和髓鞘相关通路
年轻成年期
转录组分析显示，年轻成年无菌雄性小鼠前额叶皮层中与髓鞘形成和神经元活性相关的基因表达发生显著改变。富集分析发现，少突胶质细胞成熟、髓鞘调节、节点生理和γ-氨基丁酸（GABA）神经传递等相关通路均受影响。具体而言，66个与髓鞘和少突胶质细胞成熟相关的基因中，22个（33.3%）在无菌小鼠中上调；34个活性诱导基因中，31个（91%）上调；40个与郎飞结相关的基因中，8个（20%）差异表达，其中7个上调。这些结果表明，年轻成年无菌雄性小鼠在髓鞘形成和神经元活性相关基因表达上发生广泛改变。
早期发育
对早期发育四个时间点（出生后第2天（P2）、P8、P14、P21）的转录组分析发现，菌群缺失导致>771个基因差异表达，其中P2和P21时间点效应最显著。非靶向富集分析显示，脂质调节相关通路（如长链脂肪酸导入、脂肪酸β-氧化、神经节苷脂代谢）受到干扰。靶向富集分析进一步证实，髓鞘相关基因表达发生改变，尤其在P14和P21时间点的雄性无菌小鼠中。活性诱导基因在P2和P8时间点总体下调，但在P14时间点出现上调（如<1>Spry4、Nr4a2），P21时间点雄性无菌小鼠中多个活性诱导基因（如<1>Klf4、Btg2、Npas4）显著上调，与年轻成年期变化相似。节点结构相关基因表达呈现性别和时间依赖性效应。维恩图分析显示，雄性无菌小鼠在所有发育时间点共享6个基因（如<1>Jam2、Gstt2、Dclk3），雌性共享3个基因（如<1>Lmbr1、Rnf32）。年轻成年与P21雄性小鼠共享171个差异表达基因，其中4.67%与髓鞘和少突胶质细胞成熟相关，9.36%与神经元活性相关。
菌群影响发育中的前额叶皮层代谢组，且与转录组特征相关
代谢组学分析发现，菌群缺失导致前额叶皮层代谢物谱发生显著改变，尤其在P2时间点效应最强。36种代谢物在无菌小鼠中发生显著变化。非靶向富集分析显示，谷氨酸、精氨酸、天冬氨酸代谢等脑功能稳态关键通路受到干扰。在P8雄性小鼠和P14雌性小鼠中，谷胱甘肽、D-谷氨酰胺和D-谷氨酸代谢通路显著富集。精氨酸生物合成和代谢通路在雄性小鼠中（除P14外）均受干扰。年轻成年雄性无菌小鼠中，7种代谢物（如谷氨酰胺、天冬酰胺、N-乙酰鸟氨酸）发生改变，氮代谢、精氨酸生物合成、丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代谢通路受到干扰。多组学整合分析发现，差异代谢物与转录组中髓鞘相关基因显著相关，共同影响三部分GABA能和谷氨酸能突触的组成。
菌群诱导髓鞘成熟、生长和完整性的时间依赖性变化
对P21时间点的分析发现，无菌雄性小鼠少突胶质细胞（Olig2+）和少突胶质前体细胞（PDGFR?+）数量无缺陷，但成熟髓鞘标记物CNPase面积百分比显著增加，表明髓鞘形成存在性别特异性改变。超微结构分析显示，无菌雄性小鼠髓鞘轴突数量在P14时间点出现细微减少，但轴突直径无影响。菌群缺失不影响正常髓鞘轴突数量，但影响髓鞘生长：无菌雄性小鼠板层数和髓鞘厚度在P21时间点略有增加。髓鞘内舌区厚度未受影响。这些发现表明，菌群影响雄性小鼠髓鞘成熟和生长的时间调控，其中P14-P21时期是菌群驱动髓鞘调节的关键窗口。
菌群调控斑马鱼无菌模型中少突胶质细胞成熟和髓鞘形成
在斑马鱼幼虫中，菌群缺失导致髓鞘相关基因（如<1>mbp、plp1、mag）表达上调，少突胶质细胞分化标记物<1>nkx2.2b和神经元活性标记物<1>gad1也上调。活体成像显示，无菌幼虫髓鞘形成增加。Mauthner轴突分析发现，轴突直径和突触钮数量无差异，但髓鞘直径和厚度增加，g-比值降低（髓鞘更厚）。菌群还影响小胶质细胞/巨噬细胞在全脑的数量和空间分布，减少其与少突胶质细胞的接触。
菌群跨物种调节小胶质细胞成熟和定位
转录组分析显示，无菌雄性小鼠在P8时间点小胶质细胞稳态签名（如<1>Siglech、P2ry12、Cx3cr1）丧失，激活和突触修剪相关基因表达降低。在斑马鱼中，无菌幼虫全脑小胶质细胞数量减少，细胞占据体积减小。在脊髓背侧和腹侧束中，小胶质细胞和少突胶质细胞数量无差异，但两者共定位减少，表明菌群影响小胶质细胞在脊髓中的迁移和定位。
讨论
本研究通过跨物种方法揭示了菌群在早期生命阶段通过调节神经元活性、髓鞘形成和胶质细胞成熟来影响神经发育。菌群缺失导致转录组和代谢组发生性别和时间依赖性改变，其中P14-P21时期是敏感窗口。研究结果强调了菌群在髓鞘形成和神经回路塑造中的保守作用，为神经精神疾病机制提供了新见解。未来研究需关注特定菌群信号在关键窗口期的作用，以及菌群如何通过调节免疫、代谢和激素途径影响脑发育。
结论
本研究系统阐述了菌群在早期生命阶段通过调控转录组和代谢组影响前额叶皮层髓鞘形成的机制。跨物种分析证实菌群对髓鞘形成的调节具有保守性。菌群缺失导致神经元活性、小胶质细胞功能和髓鞘完整性发生改变，这些效应具有性别和时间特异性。研究为开发菌群靶向治疗神经发育障碍提供了理论基础。
