百邁客微生物合作案例榮登Cell子刊!IF=17.87!

2019年3月19日,南京醫科大學,基礎醫學院病原微生物系,國家生殖醫學重點實驗室,自閉癥研究中心的劉星吟教授團隊在國際頂級期刊《Cell》子刊《Cell Host & Microbe》(IF=17.87)發表文章,研究發現了組蛋白去甲基化酶KDM5能夠通過調節免疫系統和腸道菌群影響果蠅的社交行為,百邁客微生物事業部參與合作了該研究的部分微生物高通量測序及分析工作,喜聞劉老師的著作登刊,小編感覺到無比欣喜與榮幸!

2018年11月的“百邁客全國功能基因組學峰會”上,劉老師作為演講嘉賓在“微生物分會場”做了精彩匯報,小編清晰記得劉老師的演講題目為“The histone demethylase KDM5 regulates autism-like behavior by maintaining gut microbiota homeostasis”,當她講到“孤獨癥”兒童的處境與狀態時,她眼神中流露出的悲憫深深感染了我,我想她對自己研究領域的熱愛與堅持一定也是出自于這種情懷吧。

接下來,我們一起來了解下劉老師的這篇文章取得了哪些突出進展吧!

研究背景

越來越多的研究表明,腸道菌群可以影響智力障礙(ID)和自閉癥譜系障礙(ASD)的疾病癥狀,盡管宿主的基因能夠影響腸道菌群,然而調控宿主共生菌群穩態的分子機制在正常和疾病狀態下仍然未知。KDM5蛋白家族是一種轉錄調控因子,它通過組蛋白H3K4me3去甲基化修飾來發揮作用,然而在ID和ASD患者中,KDM5A/KDM5B/KDM5C發生了功能喪失型基因突變。果蠅的腸道菌群結構簡單,遺傳和生理易于操控,可以為宿主-微生物的互作研究提供良好的體系,此外攜帶與人類KDM5C(kdm5A512P)致病錯義突變類似等位基因的果蠅表現出學習和記憶缺陷。與腸內共生菌接觸的腸上皮細胞能夠細菌信號產生活性氧,劉老師課題組的前期研究發現,KDM5能夠調節果蠅的細胞氧化應激,因此本研究旨在探究KDM5通過調節腸道菌群來影響果蠅社交行為的機制。

重要結論

1. KDM5的缺乏導致了果蠅腸上皮屏障受損和社交行為減退

?圖1. ?A:野生型(wt, w1118)和基因敲除型(kdm5K6801/10424)果蠅的KDM5, H3K4me3和組蛋白H3水平(Western blot);B:wtkdm5K6801/10424果蠅腸道組織KDM5轉錄水平(RNA-seq);C:wtkdm5K6801/10424果蠅消化道影像,紅框內的斑點指示有腸道缺陷(氣泡);D:3-5齡wtkdm5K6801/10424果蠅的腸道缺陷(氣泡)比例;E:透射電鏡觀察wtkdm5K6801/10424果蠅前、后中腸上皮屏障;F:藍色食用染料標記、測量wtkdm5K6801/10424果蠅的腸滲透性;G:異硫氰酸熒光素(FITC)標記的玻璃粉指示kdm5K6801/10424果蠅消化道滲透性較高;H:Myo1A-Gal4 TS/+Myo1A-Gal4 TS/kdm5RNAi果蠅的頭、腸組織的KDM5, H3K4me3和組蛋白H3水平(Western blot);I:藍色食用染料標記、測量Myo1A-Gal4TS/+Myo1A-Gal4 TS/kdm5RNAi果蠅的腸滲透性;J、K和N:與wt果蠅相比,kdm5K6801/10424果蠅的接觸距離變遠、交往活躍度下降、雌性社交接觸時間變短;L、M和O:與Myo1A-Gal4 TS果蠅相比,Myo1A-Gal4 TS/kdm5RNAi果蠅也發生了接觸距離變遠、社交活躍度下降、雌性交往接觸時間變短。

?2. KDM5調節果蠅的腸道菌群組成

?圖2. A:wtkdm5K6801/10424果蠅“種”水平的腸道菌群類型;B:wtkdm5K6801/10424果蠅腸道菌群OTU數目;C:wtkdm5K6801/10424果蠅“門”水平的腸道菌群分層聚類;D:wtkdm5K6801/10424果蠅“目”水平的腸道菌群相對豐度熱圖;E:3日齡wt、kdm510424、kdm5K06801、kdm5K6801/10424和kdm5k6801;gkdm5-HA果蠅腸道乳酸菌(Lactobacillus spp)數量(CFU/只);F:4日齡wt、kdm510424、kdm5K06801、kdm5K6801/10424和kdm5k6801;gkdm5-HA果蠅腸道革蘭氏陰性菌數量(CFU/只);G:wtkdm5K6801/10424果蠅腸道革蘭氏陰性菌與陽性菌比例;H:wtkdm5K6801/10424果蠅腸道L. plantarum L168P. rettgeri P6豐度水平(q-PCR);I:wtkdm5K6801/10424Myo1A-Gal4 TS/+Myo1A-Gal4 TS/kdm5RNAi果蠅的中腸PH3正染色干細胞數目。

?圖3. A-E:采用wt果蠅的菌群重塑后,1日齡無菌wtkdm5K6801/10424果蠅的腸道革蘭氏陰性菌數量(CFU/只)、乳酸菌(Lactobacillus spp.)數量(CFU/只)、革蘭氏陰性菌與陽性菌的比例、L. plantarum L168P. rettgeri P6相對豐度(RT-PCR)、接觸距離、社交活躍度、雌性交往接觸時間比較;F-N:采用wt果蠅的菌群重塑后,4日齡無菌wtkdm5K6801/10424果蠅的比較(同上述A-E)。

3. 對果蠅腸道菌群的調控緩解了KDM5缺乏所誘導的表型

圖4. A:無菌Myo1A-Gal4 TS/+Myo1A-Gal4 TS/kdm5RNAi果蠅的接觸距離比較;B:3種培養基(營養物瓊脂、甘露糖瓊脂和革蘭氏陰性菌瓊脂)培養的標準日糧和抗生物添加日糧對kdm5K6801/10424果蠅腸道致病菌數量(CFU/只)的影響;C-E:標準日糧和植物乳桿菌對kdm5K6801/10424果蠅的腸道缺陷(氣泡)、接觸距離和社交活躍度的影響;F-J:標準日糧和植物乳桿菌(L. plantarum L168)添加日糧對kdm5K6801/10424果蠅的植物乳桿菌(L. plantarum L168plantarum L168Lactobacillus spp.)數量(CFU/只)、腸滲透性、腸道缺陷(氣泡)、接觸距離和社交活躍度的影響;K-L:標準日糧和乳酸菌(Lactobacillus spp.)添加日糧對Myo1A-Gal4 TS/kdm5RNAi果蠅的接觸距離和社交活躍度的影響;M-N:標準日糧和抗生素添加日糧對Myo1A-Gal4TS/kdm5RNAi果蠅的接觸距離和社交活躍度的影響;O-S:5-羥色氨(5-HT)分別在wtkdm5K6801/10424果蠅、標準日糧與抗生物添加日糧飼養的kdm5K6801/10424果蠅、標準日糧與乳酸菌(Lactobacillus spp.)添加日糧飼養的kdm5K6801/10424果蠅、Myo1A-Gal4 TS/+Myo1A-Gal4 TS/kdm5RNAi果蠅、標準日糧與乳酸菌(Lactobacillus spp.)添加日糧飼養的Myo1A-Gal4 TS/kdm5RNAi果蠅組間的濃度(ng/mg)比較。

4. KDM5對免疫缺陷(IMD/Rel)信號通路具有負調控作用

圖5. A-C:wtkdm5K6801/10424果蠅腸道組織差異表達基因的分層聚類分析、GO富集分析和蛋白互作網絡分析;D:與wt果蠅相比,kdm5K6801/10424果蠅腸道組織的抗菌和先天免疫反應基因相對表達(RT-PCR);E:與kdm5K6801/10424果蠅相比,飼喂植物乳桿菌(L. plantarum L168)和抗生素日糧的kdm5K6801/10424果蠅腸道組織的抗菌和先天免疫反應基因相對表達;F:wtkdm5K6801/10424果蠅腸道組織的PGRP-LC基因結構和轉錄模式;G-H:wtkdm5K6801/10424果蠅腸道組織imd、PGRP-LC-RAPGRP-LC-RE基因啟動子區域的KDM5水平和H3K4me3水平分析(ChIp-qPCR);I:kdm5K6801/10424Myo1A-Gal4 TS/kdm5RNAi果蠅腸道組織,以及S2細胞的全長PGRP-LC-RA和PGRP-LC-RE表達分析(RT-PCR);J:wtkdm5K6801/10424果蠅腸道組織的Relish免疫熒光染色;K:wtkdm5K6801/10424果蠅腸道組織的Relish基因啟動子區域的Relish水平分析(ChIp-qPCR)。

5. KDM5去甲基化酶的活性調節了IMD/Rel通路的活性和腸-菌-腦軸功能

?圖6. A:與kdm5k6801;gkdm5-HA果蠅相比,3-5日齡kdm5k6801;gkdm5JmjC*-HA(簡稱kdm5Jmjc*)果蠅腸道組織的抗菌和先天免疫反應基因的表達(RT-PCR);B-C:3-5日齡kdm5k6801;gkdm5-HAkdm5Jmjc*果蠅腸道的乳酸菌(Lactobacillus spp)、植物乳桿菌(L. plantarum L168)、P. rettgeri P6數量(CFU/只);D:3-5日齡kdm5k6801;gkdm5-HAkdm5Jmjc*果蠅中腸PH3正染色干細胞數目;E:3-5日齡kdm5k6801;gkdm5-HA和果蠅腸滲透性評估;F:異硫氰酸熒光素(FITC)標記的玻璃粉指示kdm5Jmjc*果蠅消化道滲透性較高;G-H:kdm5k6801;gkdm5-HAkdm5Jmjc*果蠅的接觸距離和交往活躍度比較;I-K:標準日糧與植物乳桿菌(L. plantarum L168)添加日糧對kdm5Jmjc*果蠅消化道滲透性、接觸距離和交往活躍度的比較;L:kdm5k6801;gkdm5-HAkdm5Jmjc*果蠅腹部組織的5-羥色胺(5-HT)濃度比較;M:標準日糧與植物乳桿菌(L. plantarum L168)添加日糧對kdm5Jmjc*果蠅5-HT濃度的影響。

6、抑制IMD信號通路可以改善KDM5缺乏導致的腸道失調和社交異常

圖7. A:四組(Myo1A-Gal4TS/+、Myo1A-Gal4TS/+; kdm5RNAi/+、Myo1A-Gal4TS/+; kdm5RNAi/ imdRNAiMyo1A-Gal4TS+; imdRNA/+)果蠅的腸道革蘭氏陰性菌與陽性菌的比例;B:四組(如圖A)果蠅的腸道L. plantarum L168P. rettgeri P6相對豐度;C:四組果蠅的腸滲透性、接觸距離、交往活躍度、交往接觸時間、5-羥色胺(5-HT)濃度比較。

總結

該研究從遺傳、環境和免疫因素進行研究為“孤獨癥”的預防和治療提供了新思路。劉老師課題組以果蠅作為模型動物,發現遺傳因素調控了固有的免疫信號通路,進而造成了以腸道菌群結構為代表的內環境因素紊亂,導致免疫因素的抑制性神經遞質5-羥色胺濃度升高。然而,抗生素或植物乳桿菌飼喂以及抑制固有免疫的過度激活均可改善了KDM5基因功能缺乏導致的果蠅社交孤獨樣的“社交”行為、壽命和細胞表型,最終揭示了組蛋白去甲基化酶KDM5通過免疫系統和腸道菌群調節果蠅社交行為的機制。

通訊作者簡介:劉星吟

南京醫科大學特聘教授,博士生導師。2006年獲得中山大學理學博士學位,2006年至2015年10月,先后在美國Rochester大學從事腸道病原微生物與宿主相互作用的信號轉導機制的研究。2010-2015年 在美國愛因斯坦醫學院從事自閉癥關聯基因的表觀遺傳學研究。2015.10作為高層次引進人才受聘于南京醫科大學基礎醫學院。2016.9月被評為南醫大特聘教授,2017年被評為江蘇特聘教授,目前擔任南京醫科大學腸道微生態創新團隊的組長,主要致力于腸道微生物與人類疾病關聯的臨床和基礎研究。

 

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