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PNAS解读!机体神经细胞如何进化地与微生物能进行交流沟通?

来源:本站原创 2020-07-30 22:45

2020年7月30日 讯 /生物谷BIOON/ --多种消化道疾病(比如人类严重的肠道感染)都与肠道自然运动性的紊乱密切相关,微生物组在肠道有节奏的收缩过程(蠕动)中扮演着关键角色,同时其也是目前科学家们最深入研究的一项课题,目前研究人员并不清楚这些收缩过程是如何被控制的,以及扮演起搏器的神经系统细胞是如何与微生物组协作共同发挥作用的。

近日,一项刊登在国际杂志PNAS上的研究报告中,来自基尔大学等机构的科学家们就通过研究首次利用淡水水螅作为模板进行研究,系统性地阐明了老化的神经元如何与细菌之间是如何进行交流沟通的,令人惊讶的是,研究者发现,神经细胞能通过免疫受体与微生物之间相互交流,而这在某种程度上与免疫系统的机制有关。在此基础上,研究人员提出了一种假设,即神经系统并不仅仅会从进化刚一开始就接管感觉和运动功能,以及负责与微生物的交流。

图片来源:Dr Alexander Klimovich

研究人员研究了系统发育的古老淡水水螅的简单神经网络,这种神经网络的功能类似于脊椎动物机体所谓的肠道神经系统,其能控制消化道的运动,随后研究者提出了两项重要的观察结果,首先,他们首次成功在水螅神经系统中识别出了主要负责胃腔节律性收缩的特殊细胞。在对肠易激综合征(IBS)患者的样本进行了高通量研究后,研究人员发现了可能会诱发人类肠道蠕动紊乱的特殊基因,在此基础上,研究人员对水螅进行了研究来寻找基因活跃的细胞,最后他们在这种古老生物的神经系统中发现了一小部分神经细胞。当阻断了水螅中这些基因的活性后就会导致机体节律性收缩的急剧下降,于是研究者就表示,这些的确控制蠕动的起搏细胞,由于这些基因最早是在IBS患者样本中发现的,因此研究人员就推测,这些神经元是动物早期进化出现的中枢控制单元,其能调节机体复杂的功能。

随后研究人员产生了第二项令人非常惊讶的结果,当对水螅单一神经细胞的详细遗传分析后,结果显示,它们会利用先天性免疫系统工具会对共生细菌的密度和组成产生直接的影响,研究者已经知道,微生物组的存在或干扰或会对肠道的收缩和规律性产生重大影响,而最新研究也表明,这是一种系统性且古老的调节性系统,其中某些神经元和共生菌之间双向交流的系统发育古老调节系统或许在其中扮演着关键角色。研究者Alexander Klimovich博士指出,我们的观察揭示了神经细胞能够感知微生物并对其反应,基于此,神经元就会使用在其他免疫系统中所发现的受体,激活的起搏细胞就会释放出诸如抗菌肽等特定分子,随后就会对特殊微生物的存在或不存在产生很大的影响。

在随后的调查中,研究人员将小鼠和线虫中起搏器神经元的分子工具箱与水螅中所发现的状况进行了比较,他们发现,起搏器细胞和微生物之间的交流或许也会发生在其它生物体中,而更详细地分析结果表明,小鼠肠道中的起搏器细胞似乎也拥有能以相同方式与微生物交流沟通的免疫受体。研究者Klimovich强调表示,我们认为神经元与微生物之间通过免疫受体的相互交流是一种进化上高度保守的基本原则,而神经系统与微生物组之间的这种联系有可能是在6.5亿年前的水螅中首次发展起来的。

相关研究或能提供强有力的证据证明神经系统的出现从一开始就与共生的微生物密切相关,因此研究人员或许需要重新思考免疫与神经系统之间的进化了,对水螅的调查研究结果表明,即使进化上最古老的神经系统也会与微生物之间相互作用,这有可能是神经细胞的进化是为了能与对机体非常重要的微生物进行相互交流。

如果这一假设成立的话,其或能帮助研究人员为开发治疗因肠道蠕动障碍所引发的人类肠道疾病的新型疗法提供新的思路和视野,因此,微生物组的状态与肠道蠕动障碍之间的关联性很有可能存在于人类身上,未来研究人员还需要进行更为深入的研究来揭示神经细胞在炎性肠病的发生和疗法中扮演的关键角色,更好地理解疾病的发病机制,以及在微生物组中进行密切的干预治疗或有望促进健康的肠道运动,从而就能帮助治疗慢性肠道疾病。(生物谷Bioon.com)

参考资料:

【1】Researchers study if nerve cells evolved to talk to microbes

【2】Alexander Klimovich, Stefania Giacomello, Åsa Björklund, et al. Prototypical pacemaker neurons interact with the resident microbiota, Proceedings of the National Academy of Sciences (2020). doi:10.1073/pnas.1920469117

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