肠道微生物通过神经免疫调控影响阿尔茨海默病进程：单细胞测序揭示E. coli的作用机制

《Cell Systems》：Indigenous gut microbes modulate neural cell state and neurodegenerative disease susceptibility

本研究通过单细胞核RNA测序技术，揭示肠道微生物组对大脑各类细胞转录状态的广泛调控作用。研究人员发现，特定肠道细菌（如Escherichia coli）可诱导脑内髓系细胞发生特异性转录重编程，激活神经免疫通路并加剧阿尔茨海默病模型小鼠的认知障碍和Aβ病理。该研究为微生物-肠-脑轴在神经退行性疾病中的作用提供了单细胞水平的机制证据，为靶向肠道菌群的干预策略开辟了新途径。

　　

在人体庞大的微生物生态系统中，肠道菌群作为重要的"虚拟器官"，通过微生物-肠-脑轴与中枢神经系统进行着活跃的双向通讯。近年来，越来越多的证据表明肠道微生物组的组成和功能变化与阿尔茨海默病等神经退行性疾病的发生发展密切相关。然而，关于特定肠道细菌如何调控大脑不同细胞类型的转录状态，以及这种调控如何影响神经退行性病变的具体机制，仍然是该领域亟待解决的关键科学问题。

发表在《Cell Systems》的这项研究采用单细胞核RNA测序技术，系统解析了肠道微生物缺失和特定细菌定植对大脑各类细胞转录景观的影响。研究人员首先比较了无菌小鼠和常规饲养小鼠海马体细胞的转录组差异，发现微生物组缺失会导致所有主要脑细胞类型出现广泛的转录重编程，其中髓系细胞和髓鞘形成少突胶质细胞的响应最为显著。通过基因集富集分析发现，微生物组缺失会显著影响神经退行性疾病相关通路、免疫应答和细胞发育等关键生物学过程。

为了探究特定肠道细菌的作用，研究人员选择了四种代表性细菌（Escherichia coli、Bacteroides thetaiotaomicron、Clostridium celatum和Lactobacillus johnsonii）进行单菌定植实验。通过免疫磁珠分选CD11b⁺髓系细胞并进行批量RNA测序，研究发现不同细菌诱导了独特的转录响应。特别值得注意的是，E. coli定植显著上调了与抗原呈递、适应性免疫和神经退行性疾病相关的通路，而其他细菌则表现出不同的调控模式。

研究进一步通过时间序列分析发现，E. coli定植可动态调控大脑细胞的转录状态。定植2周时，髓系细胞和少突胶质细胞出现强烈的转录响应；而定植4周后，神经元细胞的差异表达基因数量显著增加，表明不同细胞类型对微生物信号存在时序特异的响应模式。通路分析显示，E. coli定植可调控Rho GTP酶信号、RNA代谢和适应性免疫等保守通路，同时特异性地影响神经退行性疾病相关通路。

在机制层面，研究人员发现E. coli定植可促进脑内CD8⁺T细胞的浸润，并增强小胶质细胞对Aβ的吞噬能力。通过免疫组化分析，证实E. coli定植增加了脉络丛中MHC class II⁺/CD206⁺双阳性细胞的比例，表明微生物信号可调节脑界面的免疫细胞状态。

最重要的是，研究在5xFAD阿尔茨海默病模型小鼠中验证了E. coli的病理促进作用。经过4周的E. coli暴露，5xFAD小鼠表现出加重的认知功能障碍和Aβ病理，特别是海马区内不溶性Aβ的比例显著增加。这些变化伴随着小胶质细胞疾病相关表型的抑制，表明E. coli可能通过干扰小胶质细胞的保护性功能而加剧疾病进程。

主要技术方法

研究采用单细胞核RNA测序分析海马体细胞转录组，使用免疫磁珠分选CD11b⁺髓系细胞进行批量RNA测序。通过无菌和单菌定植小鼠模型，结合5xFAD转基因小鼠，采用免疫组化、流式细胞术、行为学测试和多因子检测等技术手段。样本来源于Emory大学无菌动物核心设施提供的DBA/2N和C57BL/6J背景小鼠。

微生物组广泛调控大脑细胞转录景观

通过单细胞测序发现，微生物组缺失会影响所有主要脑细胞类型的转录状态，其中髓系细胞和少突胶质细胞响应最为显著。基因集富集分析显示，微生物组参与调控神经退行性疾病通路、免疫应答和细胞发育等重要生物学过程。

特定肠道细菌诱导特异性的转录响应

四种代表性细菌的单菌定植实验表明，不同细菌可诱导独特的转录特征。E. coli定植特异性地上调抗原呈递和神经退行性疾病相关通路，而B. thetaiotaomicron和C. celatum则表现出不同的调控模式，表明微生物-脑通讯具有菌株特异性。

E. coli动态调控神经免疫状态

时间序列分析揭示，E. coli定植可时序性地调控不同脑细胞的转录状态。早期主要影响免疫细胞，后期则显著影响神经元功能。这种动态调控伴随着CD8⁺T细胞脑内浸润增加和小胶质细胞吞噬功能增强。

E. coli加剧阿尔茨海默病病理进程

在5xFAD模型中，E. coli暴露可加重认知障碍和Aβ病理，特别是增加不溶性Aβ的比例。机制上，E. coli可能通过抑制小胶质细胞的疾病相关表型转换而削弱其保护功能，从而促进疾病进展。

本研究通过单细胞分辨率的转录组分析，揭示了肠道微生物组特别是E. coli通过调控脑内免疫细胞状态而影响阿尔茨海默病进程的新机制。研究发现不仅证实了微生物-肠-脑轴在神经退行性疾病中的重要性，更重要的是阐明了特定细菌物种通过时序性、细胞类型特异性的方式调控大脑功能的精细机制。这些发现为理解肠道菌群在神经退行性疾病中的作用提供了新的理论框架，也为开发针对特定微生物的干预策略奠定了科学基础。该研究强调了个体化微生物组管理在神经退行性疾病防治中的潜在价值，为未来转化研究指明了方向。