哺乳動物的胃腸道擁有一個由多種微生物組成的群落，包括細菌、古細菌、真菌和病毒。在日常中，細菌的生存、復制會帶來很多終產物，例如代謝產物和細菌的胞壁碎片等，這些產物與宿主的代謝過程密切相關。除影響代謝外，腸道微生物群還會影響免疫系統和中樞系統神經系統，越來越多的研究證明該系統已成為影響腦發育的關鍵調節因素，以及影響壓力和焦慮狀態的因素，且這種影響通常存在性別差異。研究表明，破壞腸道微生物群與大腦的相互作用關系，有潛在導致神經發育相關、精神疾病相關的可能。
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2022年4月15日，法國巴斯德研究所、國家健康與醫學研究院（Inserm）和國家科學研究中心（CNRS）的Gabanyi博士等人在Science雜志發表最近研究工作" Bacterial sensing via neuronal Nod2 regulates appetite and body temperature "，他們發現細菌的產物--細菌肽聚糖（peptidoglycans）能夠直接抑制下丘腦中促進攝食的神經元活動，從而降低動物的食欲和體溫，且這一過程主要影響雌性小鼠。
這一發現提示，生理狀態下，腸道微生物群和大腦之間存在直接對話，微生物群可通過肽聚糖影響動物生理狀態的維持，這一發現可能會為代謝紊亂疾病，如糖尿病、肥胖，帶來新的治療思路和療法。
在過往的研究中，大量研究已提示腸道微生物群與腦的聯系，其中細菌細胞壁的主要成分--肽聚糖（peptidoglycans，PGs）被認為是重要的影響動物代謝、免疫、動物行為的分子之一。同時研究發現PG的片段胞壁肽（muropeptide）確實存在于小鼠腦中，且能夠影響神經元的活動和可塑性，因此研究人員推斷胞壁肽可能是一個重要的腸道影響腦的信號。
研究表明，小鼠腦中的胞壁肽可被Nod樣受體（Nod1和Nod2）識別，其中Nod1識別來源于革蘭氏陰性菌胞壁酰三肽，Nod2負責識別胞壁酰二肽 (MDP)。其中，MDP是在所有細菌胞壁肽中存在的分子結構，且Nod2基因突變與雙相情感障礙、精神分裂癥、阿爾茨海默病、帕金森病、代謝紊亂等病理過程密切相關。
但是，Nod2介導的信號通路是否影響生理性穩態平衡并不清楚。因此，本文作者著重研究Nod2參與的生理性穩態調節過程。
作者首先借助Nod2-GFP轉基因小鼠，繪制了Nod2在中樞神經系統的表達譜，免疫熒光染色的結果（圖2）及Nod2基因mRNA原位雜交結果均顯示，紋狀體、丘腦和下丘腦神經元中Nod2的表達較多、皮層區域表達較少，而幾乎所有腦區的小膠質細胞和內皮細胞均表達Nod2。
圖3 腦能夠直接攝取胞壁肽
接下來，作者研究特定神經元缺失Nod2受體對行為的影響。借助抑制性GABA能中間神經元或興奮性CamKII陽性中間神經元的cre鼠（Vgat-cre和CamKIIa-cre）依賴的Nod2基因敲除鼠，作者發現只有雌性動物的Vgat神經元中Nod2基因被敲除，能導致顯著的體重上升、食欲增加，影響中老年雌鼠（6個月之后）筑巢行為以及體溫穩態調節（圖4），此外，Vgat-Nod2基因敲除雌性小鼠最終易發展為糖尿病，壽命也明顯減少。這些證據都表明了Nod2基因在GABA能中間神經元中的重要作用。
圖4 GABA能中間神經元Nod2敲除影響中老年雌鼠攝食和體溫穩態
隨后的細胞活動性分析（Fos標記）發現，中老年雌鼠腦中弓狀核（ARC）和背內側核（DMH）活動對胞壁肽（MDP）更為敏感，而這兩個腦區恰恰負責攝食和體溫維持。結合前文發現的GABA能中間神經元在Nod2受體介導的上述過程中的作用，作者接下來著重研究ARC和DMH兩個核團中GABA能中間神經元的作用。
借助Vagt-cre小鼠配合AAV9-FLEX-GCaMP系列病毒載體的定點注射，作者特異性在ARC腦區GABA能中間神經元（主要是NPY陽性神經元，負責促進攝食的神經元）表達GCaMP蛋白（GCaMP6f或GCaMP7f），用于觀察該類神經元的活動，發現MDP的喂養能夠顯著抑制該類細胞的活動（圖5），提示老年雌鼠的體重和體溫紊亂與ARC腦區GABA能中間神經元活動密切相關。
圖6 下丘腦Nod2基因對體重和體溫維持至關重要
綜上所述，本文的多組實驗為我們明確描繪了一組腸道微生物組代謝產物與腦中神經元的信號傳遞，微生物群釋放的胞壁肽（Muropeptides）通過影響下丘腦中間神經元的活動，調控動物的攝食和體溫維持。
和元生物可為研究者穩定提供文中大量使用的AAV9-hSyn-Cre、AAV9-FLEX-GCaMP6f、AAV9-FLEX-GCaMP7f等工具病毒載體，助力特定細胞的活動監測和基因操控。
參考文獻：
1.I. Gabanyi et al., Science 376, 263 (2022).
2.Antoine Adamantidis, How the gut talks to the brain, Science