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肠道微生物改变果蝇的运动行为

作者:Schretter来源:Nature

科学家Schretter发现一种肠道细菌可以调节果蝇的运动活性。这种效应是由糖的水平和产生分子章鱼胺的神经元的活性所介导的。

Schretter等人使用标准的技术来分析肠道细菌。他们比较了含有天然肠道微生物群的苍蝇和被消除了肠道细菌的苍蝇的步行活动,观察到与其他苍蝇相比,处理肠道细菌后的苍蝇活动过度。

这些活动过度的苍蝇比其他苍蝇走得更快,走得也更长,但是它们每天生理周期的活动和睡眠节律没有受到干扰。

为了确定与这种效应相关的微生物,Schretter等人为活动过度的苍蝇提供了多种细菌,并发现短乳杆菌使苍蝇的行走活动恢复到保留了完整微生物群的苍蝇的水平。

人们普遍认为,肠道微生物通过产生小代谢物影响动物的行为,包括神经递质分子,这些小代谢物直接与肠道中的神经系统相互作用,或者进入血流并从那里到达大脑。

然而,由Schretter及其同事鉴定的与行走行为有关的细菌并不符合这个范例。

作者提供了令人信服的证据,表明短乳杆菌产生的糖修饰酶木糖异构酶的存在降低了黑腹果蝇的运动活性(图1)。

进一步的实验表明,向细菌已被清除的苍蝇提供木糖异构酶是必要的,足以调节苍蝇运动。

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图1,肠道细菌影响果蝇的行走活动。

Schretter等人使用成像方法跟踪苍蝇的运动,并发现

a. 具有天然肠道微生物的果蝇比缺乏肠道细菌短乳杆菌的果蝇活性低。

作者认为短乳杆菌产生的木糖异构酶是这种现象的关键。这种酶修饰某些糖,通过未知的过程,导致存在这种细菌酶的苍蝇体内的糖海藻糖水平降低。

作者的实验结果与一个模型是一致的,在这个模型中,海藻糖的减少伴随着调节苍蝇运动的八胺能神经元(那些产生神经递质分子八胺的神经元)的活性的下降。

b. 与具有天然肠道微生物的苍蝇相比,缺乏短乳杆菌的苍蝇体内的糖海藻糖水平更高,被认为具有更高的八胺能神经元活性。


木糖异构酶是如何导致果蝇行动变慢的?酶介导某些糖分子的相互转化,例如葡萄糖转化为果糖。

Schretter及其同事发现,经过处理、去除肠道细菌的苍蝇比那些保留平常微生物群的苍蝇具有更高水平的糖海藻糖。

也许这意味着木糖异构酶降低了合成海藻糖所需的葡萄糖底物的可用性。作者给缺乏肠道细菌和木糖异构酶的苍蝇注射海藻糖,发现海藻糖治疗导致苍蝇行走速度增加。

作者研究了多动现象的神经基础。他们用遗传学的方法激活了黑腹果蝇中调节运动的神经元。 Schretter等人发现,缺乏肠道细菌、但给予木糖异构酶的果蝇的步行活动,通过激活编码合成八胺所需的酶的基因而增加。

对于其他神经递质,他们没有观察到这种运动的影响。此外,作者观察到,带有天然微生物群的苍蝇,和那些经过处理、去除肠道细菌,但接受木糖异构酶的苍蝇,如果接受八巴胺,它们都走得更快。

章鱼胺是苍蝇中一个很好的运动调节器。在脊椎动物中,神经递质分子去甲肾上腺素(其结构与八达胺有关)在促进体力活动方面具有类似的作用。

在解释木糖异构酶如何影响果蝇中的海藻糖水平和大脑中产生八达胺的神经元活性方面,还有许多工作要做。

然而,一个关键的结论出现了:细菌产物对苍蝇运动的影响是通过调节控制行为的已知电路来介导的,而不是通过先前未知的调节机制。

短乳杆菌为何产生木糖异构酶?不应认为这是黑腹果蝇宿主中特定的生长适应性。这种细菌不是专门存在于果蝇肠道中的。

它维持了大量的自由生活种群,它在自然环境中的黑腹果蝇种群中,不普遍存在、也不丰富。

木糖异构酶可能起到增加短乳杆菌可以利用的碳源的多样性的作用,就像许多其他产生这种酶的细菌一样。

比较居住野生型短乳杆菌和缺乏木糖异构酶的短乳杆菌突变体的丰度,以确定这种酶是否增强细菌的适应性,以及是否有任何依赖苍蝇活动能力的适应性。

接下来要问的最重要的问题是,短乳杆菌和木糖异构酶对黑腹果蝇运动活性的影响是否与一般动物行为,包括人类和其他哺乳动物的行为有关。

正如首次在黑腹果蝇发现的许多其他东西一样,与哺乳动物系统的完美对应是不可能的。

然而,Schretter及其同事的研究确实提醒微生物学家和研究动物行为的科学家,注意肠道细菌的酶及其对糖代谢和调节行走活动的神经元回路的可能影响。


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参考文献

A gut microbial factor modulates locomotor behaviour in Drosophila


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