PNAS：全基因组筛查肠道微生物在调节神经退行性疾病中的研究

越来越多的证据表明，肠道微生物在调节神经退行性疾病(如帕金森病)的进展方面发挥着关键作用。这种微生物与宿主相互作用的分子机制还不清楚。在本研究中，作者通过用大肠杆菌敲除突变体喂养表达人α-syn的秀丽隐杆线虫，进行了全基因组筛选，以确定促进宿主神经变性的细菌基因。

图片来源：https://doi.org/10.1073/pnas.2106504118

神经退行性疾病的特征是蛋白质错误折叠和聚集，导致β-片结构丰富的淀粉样原纤维的形成。这种蛋白质聚集引发蛋白质毒性，最终导致神经元死亡。DA神经元的缺失导致纹状体多巴胺信号的减少，从而导致PD患者运动功能受损。α-syn是一个小的(140个氨基酸)蛋白质，由一个n端结构域、一个非a -β组成的结构域(是纤维化核心)和一个羧基末端区域组成。n端结构域的错义突变，如A30P、G46K和A53T，通过产生比野生型更容易错误折叠和聚集的突变蛋白，导致常染色体显性家族性PD。突变的α-syn蛋白形成有毒的β-片状低聚物，导致线粒体功能障碍、氧化应激、钙稳态破坏和神经炎症，这些都导致神经变性。目前缺乏有效的预防α-syn聚集的治疗干预。

近年来的研究表明，肠道菌群可能在神经退行性疾病的发病机制中发挥重要作用。例如，抗生素治疗改善了PD小鼠的病理生理，治疗后的微生物再定殖恢复了PD症状。与移植健康供者的菌群相比，PD患者的α-syn过表达小鼠的定植加重了身体损害。除了动物模型，临床研究也为帕金森病中肠道和大脑的微生物联系提供了证据。胃肠功能障碍是PD患者的常见症状，幽门螺杆菌感染与疾病的严重程度和进展有关。对PD患者的粪便样本进行测序发现，与健康个体相比，肠道细菌组成发生了变化(例如，乳酸杆菌科增加。与PD相似，阿尔茨海默病(AD)小鼠模型中的肠道细菌促进了淀粉样蛋白病理(10)，AD患者的肠道微生物组组成也发生了改变。

尽管紊乱的肠道微生物群和神经退行性疾病的发展之间的联系日益密切，但对细菌和神经系统之间通信的机械学理解是有限的。大多数理论关注的是全身炎症和异常微生物引起的神经炎症的神经退行性影响。细菌蛋白或代谢物是否能直接作用于宿主神经元，以模块由α-syn或A-β蛋白毒性引起的神经退行性变进程尚不清楚。这种局限性很大程度上是由于缺乏一个简单的模型来系统地测试单个细菌的成分对神经元的影响。

为了解决这一问题，作者采用秀丽隐杆线虫PD模型，在秀丽隐杆线虫神经元中表达人α-syn蛋白，研究微生物对PD的调控机制。由于秀丽隐杆线虫以细菌作为其天然食物，且易于在单核苷酸条件下培养，因此它已成为模拟微生物与宿主相互作用的重要生物体。事实上，细菌基因组的改变影响了线虫的发育、代谢和行为。一些研究也表明某些细菌代谢物可以影响线虫的神经变性。

细菌卷曲促进α-syn聚集

图片来源：https://doi.org/10.1073/pnas.2106504118

在本研究中，作者筛选了所有非必要的大肠杆菌基因对PD发病机制的影响，通过将单个大肠杆菌敲除突变体喂养到PD c elegans并评估神经变性的严重程度。该筛选鉴定了38个大肠杆菌基因，这些基因的缺失导致PD症状的改善。这些基因来自不同的遗传途径，包括卷曲素的形成、脂多糖(LPS)的产生、溶菌酶的抑制、腺苷钴胺的合成和氧化应激反应，表明不同的细菌成分可以促进神经变性。

通过抗体染色和生化分析，作者发现CsgA促进了α-syn的聚集，并且去除细菌饲料中的卷曲菌可以使α-syn依赖蛋白酶体降解。重要的是，作者证明了细菌来源的CsgA和α-syn在多巴胺能神经元中的体内共定位和交叉播种;这种交叉播种显著增强了α-syn的聚集。

此外，该研究结果扩展到线虫模型的AD、肌萎缩性侧索硬化症(ALS)和亨廷顿病(HD)以及人神经母细胞瘤SH-SY5Y细胞。总的来说，该研究表明，细菌成分，如卷曲，可以直接影响神经退化。（生物谷 Bioon.com）

参考文献

Chenyin Wang et al. Genome-wide screen identifies curli amyloid fibril as a bacterial component promoting host neurodegeneration. Proc Natl Acad Sci U S A . 2021 Aug 24;118(34):e2106504118. doi: 10.1073/pnas.2106504118.