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PNAS:神经系统能控制体内的微生物?

来源: 点击数: 时间2020-07-24 11:12:53

水螅(Hydra)弥散的神经网络中一簇神经元正在表达神经肽(绿色),通过特异性抗体能看见实现这些神经肽的可视化。其中,神经元的细胞核被标记成洋红色。图片来源:Alexander Klimovich

  水螅(Hydra)弥散的神经网络中一簇神经元正在表达神经肽(绿色),通过特异性抗体能看见实现这些神经肽的可视化。其中,神经元的细胞核被标记成洋红色。图片来源:Alexander Klimovich

  来源:基尔大学

  各种消化道疾病如人类严重的肠道炎症,均与肠道自然蠕动的紊乱密切相关。目前,科学家还不清楚肠道蠕动是如何控制的,而作为“起搏器”的神经细胞又是如何与微生物一起发挥功能的。

  基尔大学(Kiel University)的一个细胞和发育生物学课题组,首次以淡水水螅(Hydra)为例,证明神经系统上的神经元能直接与肠道中的细菌相互交流,在某种程度上类似于免疫系统的作用机制。在此基础上,他们提出了这样的假设:在演化开始时,神经系统不仅接管感觉和运动功能,而且还负责与微生物交流。由基尔大学的Thomas Bosch教授领导的研究团队与国际合作者在《美国科学院院报》(PNAS)上,联合发表了这一研究结果。

  研究人员观察了淡水水螅较为古老、简单的神经网络。这种神经网络在功能上与脊椎动物中控制消化道运动的肠道神经系统相似。研究人员获得两项重要的发现:第一,他们首次成功鉴别出水螅的神经系统中负责胃腔节律性收缩的神经细胞。

淡水水螅有一个较为古老和简单的神经系统。它由起搏器神经元组成,驱动水螅的身体有节奏地自发收缩。图片来源:Alexander Klimovich

  淡水水螅有一个较为古老和简单的神经系统。它由起搏器神经元组成,驱动水螅的身体有节奏地自发收缩。图片来源:Alexander Klimovich

  这一发现还得益于与墨尔本莫纳什大学Mauro D‘Amato教授领导的人类医药研究小组的密切合作。后者在一项对肠道易激综合征(Irritable Bowel Syndrome)患者样本的高通量研究中,发现了可能导致人类肠道蠕动紊乱的基因。基于这一研究,Thomas Bosch的研究团队检测了水螅中这些基因活跃表达的细胞。令人惊讶的是,他们确实在水螅古老的神经系统的一小簇神经细胞中,发现了这些基因的表达。

  当他们阻断水螅中这些基因的活性时,水螅节律性地身体收缩急剧减少。Thomas Bosch教授等因此证明这些细胞确实是控制身体蠕动的起搏器细胞。由于这些基因最初是在IBS患者的样本中发现的,Thomas Bosch教授等怀疑在动物演化早期,这些神经元是中央控制单元,能调节复杂的身体功能。

  而Thomas Bosch教授等发现的第二个惊人的结果是:对水螅个体神经细胞详细的分子遗传分析表明,它们能利用先天免疫系统等对共生菌的密度和组成产生直接影响。众所周知,微生物群缺失或被破坏,对肠道收缩的频率和规律会有显著的影响。而如今这项研究清楚地表明,这个过程受到一个较为古老的神经系统调节,而在该系统中,特定神经元和共生菌之间的双向通信起着核心作用。

  文章的第一作者、Alexander Klimovich博士解释说:“我们的观察表明,神经细胞能够感知微生物,并对它们作出反应。在这一过程中,神经元利用了类似在其他动物的免疫细胞表面发现的受体。”被激活的起搏器细胞能释放一些分子如抗菌肽,它们反过来会影响一些微生物的生存。

  在随后的研究中,Thomas Bosch教授等比较了在小鼠和线虫的起搏器神经元中发挥作用的分子。他们发现,起搏器细胞和微生物的交流也可能发生在其它物种体内。更详细的分析表明,小鼠肠道中的起搏器细胞也能利用一些免疫受体,以相同的方式与微生物进行交流。

  Klimovich强调:“基于上述的研究,我们推测神经元和微生物之间的交流方式,在演化上是高度保守的。而这种交流方式可能在6.5亿年前首先在水螅中演化出来。”

  Thomas Bosch教授等这项发现为证明神经系统在最初就能与共生微生物密切交流,提供了强有力的证据。他强调说:“我们可能需要重新思考免疫系统和神经系统的演化历程。对水螅的研究表明,即使是最古老的神经系统也能与微生物相互作用。神经细胞的演化可能是需要与微生物进行交流,而这个过程对身体十分重要。”

  如果这一假设成立,它将能为由肠道活力受损引起的人类肠道疾病发展和后期治疗,提供一个全新的视角。因为微生物群状态与肠道蠕动紊乱之间的相关性也可能存在于人体中,Bosch表示:“未来我们还必须考虑神经细胞在炎症性肠道疾病的发展和治疗中的作用。”而研究人员越了解神经细胞在疾病发展进程中的作用,就越能对促进健康的肠道运动的微生物群进行密切的干预,从而治疗慢性肠道疾病。

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