Nature|腸道菌群促進腸道興奮性維持腸道生理功能

　　神經系統調控機體內臟功能對維持健康至關重要。腸道蠕動對消化系統生理功能和宿主防御是非常關鍵的。腸道神經系統（enteric nervous system ENS）是調控胃腸道的內在神經網絡，它調節腸道的各方面生理功能，包括腸道蠕動【1】。調控腸道生理功能的因素有很多，其中包括宿主特異性遺傳因素、腸道微生物和飲食。腸道微生物的變化常常伴隨腸道疾病的發生。有研究發現去除腸道微生物會降低腸道神經元的興奮性從而導致腸道運動紊亂，蠕動能力降低。但是也有研究表明成年無菌小鼠的腸道神經元興奮性會得到恢復，降低了腸道運動紊亂的現象。這也表明腸道神經網絡存在監測腸道功能狀態并相應調節神經元興奮性的分子機制。盡管目前在飲食和腸道菌群通過腸道神經系統來調控腸道生理功能方面已經取得了很大進展，但是腸道微生物環境調節腸道神經系統和腸蠕動功能之間關系的分子機制尚不清楚。

　　2020年2月6日，來自英國倫敦Francis Crick研究所Vassilis Pachnis和Brigitta Stockinger課題組和瑞士的伯爾尼大學的Andrew J. Macpherson課題組聯合在Nature上發表了題為Neuronal programming by microbiota regulates intestinal physiology的文章。作者發現轉錄因子芳香烴受體（aryl hydrocarbon receptor AHR）作為腸道神經網絡的生物傳感器，感應腸腔內的微生物環境而誘導性表達，并參與維持腸道神經元興奮性，調控腸道生理功能。

　　作者首先探究了小鼠腸道神經元中對微生物做出響應而特異性上調的基因。作者認為目前腸道組織解離和ENS分離的方法會導致細胞損傷和非特異性轉錄組變化，于是開發出一種新方法：使用腺相關病毒AAV進行標記神經元，之后流式分離不同微生物狀態下和不同腸段的腸道神經元細胞核RNA并進行nRNA-seq。為了減少飲食和飼養帶來的復雜的環境因素，作者對無菌小鼠、來自Francis Crick研究所和瑞士的伯爾尼大學的小鼠進行上述方法的實驗。綜合三種小鼠對比發現結腸神經元中的254個基因在SPF小鼠的結腸神經元中表達上升，變化最明顯的主要集中在神經元分化和功能相關基因。通過nRNA-seq對比無菌小鼠的小腸和結腸神經元中基因表達發現表達結腸神經元中上升的122個基因。對比無菌和SPF小鼠的結腸神經元nRNA，作者發現了25個基因在SPF級小鼠結腸神經元細胞中表達上升。之后去除掉包含在上述的122基因集中的基因，剩下的多個表達上升的基因與腸腔微生物定植相關，包括Ahr, Dand5 和Prr5。作者將重點放在了AHR分子。AHR編碼的轉錄因子的轉錄活性受到微生物、飲食和內源性代謝物（AHR配體）的調節，并且在腸道上皮和免疫細胞穩態中起生物傳感器的作用【2】。

　　為了探究是否存在腸道菌群-AHR-神經輸出軸，作者進行了一系列的實驗。作者首先免疫染色發現AHR主要在肌層神經元中表達，腸道神經元中AHR的表達與微生物載量相關，無菌小鼠和經抗生素治療的小鼠結腸中神經元AHR的表達降低，在恢復微生物菌落重新定植后AHR表達回升。為了堅定AHR信號的靶向和效應基因，作者對比了對照組和給與小鼠AHR配體3-甲基膽蒽3MC處理后小鼠的細胞核轉錄組數據。在30個上調水平最高的基因中Ahrr 和 Cyp1a1是AHR信號的經典靶基因。在將P值標準放寬至P<0.06后作者發現基因Kcnj12也在30個變化最明顯的基因集中，并且AHR和Kcnj12的表達存在相關性。

　　作者用AAV（AAV9-CaMKII-Cre to Ahrfl/fl；Rosa26eYFP）構建了腸道神經元特異性敲除AHR的小鼠發現結腸神經元細胞中Kcnj12表達下降。實驗表明結腸神經元中受微生物表達調控的AHR能夠實現細胞自主激活AHR靶基因的表達，并且促進結腸神經元興奮性。作者進一步探究結腸神經元中AHR信號是否調控腸道運動功能。作者用結腸離體映射來記錄結腸遷移運動確定了AHR活性能夠支配結腸神經回路的生理輸出。

　　CYP1A1介導AHR天然配體的清楚。作者構建的CYP1A1在結腸神經元特異性過表達小鼠和AHR特異性敲除的小鼠表型相似，腸道運動功能遭到破壞。野生型小鼠給與抗生素處理后AHR表達下降，腸道運動功能也下降。這些結果都表明結腸神經元中AHR信號調節腸道神經回路的運動輸出。

　　總的來說，作者發現腸道神經元中AHR信號作為一個重要的調控結點，將腸道微生物環境和腸道神經網絡的生理輸出相結合，從而維持腸道生理功能。除了AHR此功能外，AHR也參與調控腸道上皮細胞和黏膜免疫系統的屏障功能。通過在多種細胞類型中傳遞環境觸發因素，AHR活性共同整合到維持腸道穩態和宿主防御功能上。