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( 四 )

文章图片
图3肠道菌群影响GF和SPF3×Tg小鼠AD模型海马区mRNA表达的转录组谱。
(A)主成分分析(PCA)中显示样品间距离的图。 (B)散点图显示log2(倍数变化)与归一化平均基因计数的关系。 (C)GF和SPF中功能性mRNA的聚类分析，数据以热图形式呈现(p<0.05) 。每行代表所有小鼠中单个基因的相对表达水平；每列表示单个小鼠的表达级别。红色和绿色分别表示低表达和高表达。 (D)热图显示了GF和SPF之间花生四烯酸代谢途径的差异基因。 (E)差异基因的KEGG和Panther通路分析。 (F)免疫印迹显示GF3×Tg小鼠和SPF3×Tg小鼠海马中胰岛素/IGF-1信号通路。 (G)免疫印迹定量分析。 p-IR、p-IRS和p-GSK的条带分别用imageJ测量，并分别用IR、IRS和GSK归一化。 AD ，阿尔茨海默病；GF ，无菌；IR ，胰岛素受体；SPF ，无特定病原体。
4短链脂肪酸触发GF3×Tg小鼠的C/EBPβ/AEP激活和认知缺陷以及被前列腺素E2-1-甘油酯加剧的炎症
AD患者的肠道微生物群具有较低比例的关键产丁酸盐菌，例如Butyrivibrio和Eubacterium属的成员。老年AD的丁酸盐酶编码基因也比没有痴呆的健康老人低。较低比例的产丁酸盐菌会导致促炎状态。事实上， AD患者粪便移植的ex-GF小鼠的粪便和血清中的短链脂肪酸(SCFAs)降低。为了研究SCFAs是否会部分模拟定植SPF小鼠的肠道微生物群，从而触发C/EBPβ/AEP通路激活，我们连续3个月给GF3×Tg小鼠喂食对照或乙酸盐、丙酸盐和丁酸盐混合的SCFAs(同时动物保持微生物无菌状态) 。免疫印迹显示，饲喂SCFAs的GF小鼠中p-C/EBPβ及其总蛋白水平升高；下游AEP及其活性形式增加，从而触发TauN368和APPN585表达增强。随后， p-TauAT8活性也相应增加。结果，与对照相比， SCFAs喂养增强了C/EBPβ的下游靶点，包括Lox-5、Cox1、Cox2、BLT1和BLT2水平(图4A) 。定量酶检测证实，与对照相比， SCFAs喂养的GF小鼠中AEP蛋白酶活性显著增强(图4B) 。与C/EBPβ激活一致，下游反应性炎症细胞因子IL-6增加(图4C) 。 AβELISA定量显示， SCFAs处理显著增加了大脑中Aβ42的浓度，但Aβ40的浓度没有显著提高(图4D) 。这些结果被IF染色进一步证实。在海马中， SCFAs增强了ThS阳性Aβ聚集物、p-TauAT8和原纤维TauT22信号(图4E ， F) 。此外，与AEP截短TauN368和APPC586片段相关的AEP升高也在SCFAs处理中富集。与SCFAs在GF3×Tg小鼠中产生的AD病理一致，认知行为实验发现，尽管进入臂的数量保持不变，但SCFAs喂养的GF小鼠转换百分比被显著抑制(图4G ， H) 。小胶质细胞是大脑中的常驻巨噬细胞，可保护中枢神经系统免受损伤和感染。小胶质细胞还通过调节突触传递、突触形成和修剪以及胚胎脑布线的各个方面促进整个胚胎期和成年期的大脑发育。在受影响的海马和皮层区域，与对照处理的GF小鼠相比， SCFAs处理的GF小鼠中小胶质细胞表现出活化和成熟增加的形态，分别与GF和SPF小鼠的小胶质细胞相似(图4J) 。
脑组织样本的代谢组学研究为AD发病机制的分子基础提供了直接的见解。因此，我们使用GF和SPF3×Tg小鼠的大脑样本进行了代谢组学分析。代谢组学显示，与SPF小鼠相比， GF3×Tg小鼠大脑中的AA相关代谢物减少。正如预期的那样， GF小鼠粪便中的PUFA代谢物与SPF小鼠相比显著减少(图4I) 。因此，我们选择了从代谢组学分析中鉴定出来的PGE2-G ，这是一种来自PGE2的甘油偶联代谢物。与对照相比， PGE2-G处理在GF小鼠中几乎没有引起未成熟小胶质细胞的激活。然而， SCFA和PGE2-G共处理可刺激GF小鼠的小胶质细胞形态成熟和活化(图4J-L) ，表明PGE2刺激成熟（而非未成熟）的小胶质细胞活化。总之，这些结果支持SCFAs触发了GF3×Tg小鼠的C/EBPβ/AEP激活和认知缺陷以及由AA-代谢物PGE2-G加剧的炎症。