科研丨GUT(IF:31.7): 肠道菌群通过PUFA相关神经炎症调节阿尔茨海默病的病理和认知障碍( 三 )

3肠道菌群提高炎症代谢物并改变大脑中的炎症和胰岛素/IGF-1通路
为了评估肠道微生物组对AD相关转录反应的整体影响，我们使用GF和SPF3×Tg小鼠的海马样本进行了无偏RNA测序，并通过RNA转录本的定量深度测序测量了全基因组mRNA表达谱(图3) 。我们发现SPF和GF动物之间的mRNA谱和整体基因表达模式存在显著差异。通过主成分分析(PCA)对数据集中的主要方差来源进行评估，显示GF和SPF3×Tg小鼠之间明显分离(图3A) 。我们观察到SPF3×Tg小鼠与GF3×Tg小鼠的1872个差异基因(图3B) 。在差异表达基因中，与GF3×Tg小鼠相比，我们在SPF3×Tg小鼠的海马中观察到载脂蛋白E的表达下调。接下来，利用GF和SPF3×Tg小鼠之间海马区差异表达基因，通过功能mRNA的聚类分析生成热图(图3C) 。值得注意的是，与GF3×Tg小鼠相比，参与AA代谢途径的基因，包括Hpgd、Ptges3、Ptges2和Cyp1b1 ，在SPF3×Tg小鼠中差异表达(上调：Hpgd、Ptges3和Cyp1b1;下调：Ptges2)(图3D) ，这与我们的观察结果相吻合，许多AA相关炎症酶在GF小鼠中明显减少。有趣的是，除了AA代谢途径中显著改变的促炎基因外， RNAseq还显示，与GF小鼠相比， SPF小鼠的胰岛素信号及其相关的下游通路发生了异常改变(图3E) 。因此，我们通过免疫印迹检测海马胰岛素信号，发现与SPF小鼠相比， GF小鼠的p-胰岛素受体(IR)和p-IRS(IR底物)及其下游效应物(包括p-Akt和p-MAPK和p-GSK活性)均显著增加(图3F) 。这些数据与先前的报道一致，即AD患者表现出进行性脑胰岛素抵抗和胰岛素缺乏。
接下来，我们使用公共基因集(GO、KEGG和PANTHER)对海马中差异表达基因进行富集分析，并确定了与凋亡、血清素和多巴胺、GABAnergic、谷氨酸和去甲肾上腺素途径相关基因的变化。如图所示， SPF小鼠中包括Tnf、Apaf1、Fasl等在内的促凋亡基因增加，抗凋亡基因Bcl2l1降低，尽管SPF小鼠的Bax、Bad、Casp3等促凋亡基因也减少，表明SPF和GF小鼠之间不同途径介导的细胞死亡效应因子发生显著改变， GF3×Tg大脑中的细胞可能对细胞凋亡具有更强的抵抗力。编码转运神经递质血清素的整合膜蛋白的Slc6a4基因在SPF小鼠中减少，编码血清素受体的Htr3b、Htr4基因在SPF小鼠中也减少，表明GF小鼠海马中血清素信号传导增加的潜力。 Ankk1基因与Drd2基因密切相关，在SPF小鼠中均降低，而编码多巴胺受体的Drd2、Drd3、Drd4和Drd5在SPF小鼠中也减少，表明GF小鼠中表达的多巴胺受体更多。 Gad1编码谷氨酸脱羧酶，该酶负责催化L-谷氨酸产生γ-氨基丁酸(GABA)；Aldh9a1基因编码将γ-氨基丁醛氧化为GABA的酶；Gabarap基因编码GABA(A)受体相关蛋白，所有这些在SPF小鼠中均降低，而编码负责GABA分解代谢的4-氨基丁酸转氨酶的Abat基因在SPF小鼠中增加，表明GF3×Tg小鼠海马中产生和摄取了更多的GABA而不降解， GF小鼠合成的GABA受体比SPF小鼠更多；Gls和Gls2基因编码谷氨酰胺酶，催化谷氨酰胺水解为谷氨酸和氨；Glul基因编码由谷氨酸合成谷氨酰胺的蛋白质；Grin1、Grin2a、Grin2b基因编码N-甲基-D-天冬氨酸受体亚基；与SPF小鼠相比，上述基因在SPF3×Tg小鼠海马中均有增加，而GF小鼠大脑中产生的谷氨酸较少，伴随着更高的谷氨酸降解和更少的谷氨酸受体合成。 Comt基因编码儿茶酚-O-甲基转移酶；Dbh基因编码氧化还原酶，催化多巴胺转化为去甲肾上腺素，在SPF小鼠中降低，而编码α-1A-肾上腺素能受体和α-2A-肾上腺素能受体的Adra1a和Adra2a基因在SPF小鼠中增加，表明GF小鼠大脑中产生的去甲肾上腺素较少。通过qRT-PCR验证每个通路的两个基础基因，结果与RNA-Seq结果一致。 NeuN和TUNEL共染色显示， SPF小鼠海马神经元中的细胞凋亡明显增加。总之，这些数据表明，在GF和SPF3×TgAD小鼠模型中，常驻肠道微生物群影响海马区mRNA表达的转录组景观。