肠道神经细胞通过TLR5感知微生物鞭毛蛋白调控摄食行为的机制研究

研究人员发现肠道中的PYY标记神经细胞通过Toll样受体5(TLR5)感知细菌鞭毛蛋白(flagellin)，激活PYY-Y2R-迷走神经通路，从而实时调控摄食行为。这项研究首次揭示了宿主通过"神经生物感知"(neurobiotic sense)直接监测肠道微生物模式的机制，为理解肠-脑轴调控代谢提供了新视角。

　　

在人体这个复杂的生态系统中，肠道微生物与宿主之间维持着精妙的共生关系。长期以来，科学家们知道肠道微生物能影响宿主行为，特别是摄食行为，但宿主如何实时感知这些微生物信号并作出行为调整，一直是个未解之谜。传统观点认为微生物主要通过代谢产物或免疫信号间接影响宿主，而直接感知微生物分子模式的神经机制尚未被阐明。

Duke University Medical Center的研究团队在《Nature》发表了一项突破性研究，发现结肠中的特殊神经细胞——PYY标记的神经细胞(neuropod cells)能够直接感知细菌鞭毛蛋白，并通过迷走神经通路快速调控摄食行为。这项研究首次揭示了宿主通过"神经生物感知"(neurobiotic sense)机制直接监测肠道微生物模式的能力，为理解肠-脑轴调控代谢开辟了新视角。

研究人员主要采用了以下关键技术方法：1) 基因工程小鼠模型(Pyycre;Tlr5fl/fl等)结合行为学分析；2) 单细胞RNA测序和原位杂交技术；3) 钙成像记录神经细胞活动；4) 迷走神经电生理记录；5) 新型"Crunch Master"摄食行为自动分析系统；6) 无菌小鼠模型验证微生物非依赖性效应。

PYY细胞表达Tlr5
通过单细胞RNA测序和原位杂交技术，研究人员发现结肠PYY标记的神经细胞特异性高表达Toll样受体5(TLR5)，这种表达从回肠到远端结肠逐渐增强。基因敲除实验证实，PYY细胞中TLR5的缺失会导致小鼠摄食增加和体重增长，但不影响代谢指标或引发炎症，表明这是一种独立于经典免疫信号通路的调控机制。

PYY细胞使用TLR5感知鞭毛蛋白
钙成像实验显示，约26%的PYY细胞对鞭毛蛋白产生应答，这种应答可被TLR5抑制剂阻断。进一步研究发现，摄食行为会提高结肠中鞭毛蛋白水平，而PYY细胞通过TLR5感知这些鞭毛蛋白后释放PYY。

PYY细胞连接迷走神经
转录组分析显示PYY细胞富含突触相关基因，约21.7%的PYY细胞与PGP9.5标记的神经纤维接触。光遗传学实验证实，激活结肠PYY细胞能迅速增加迷走神经放电频率，建立了直接的神经上皮回路。

鞭毛蛋白转导至迷走神经元
迷走神经记录显示结肠灌注鞭毛蛋白能快速激活迷走神经，这种激活依赖于PYY细胞和Y2受体。值得注意的是，迷走神经元本身不表达TLR5，也不直接响应鞭毛蛋白。通过先进的活体钙成像和catFISH技术，研究人员发现43.37%的NPY2R阳性迷走神经元对结肠鞭毛蛋白有反应，且这些神经元与营养感知神经元存在明显区别。

鞭毛蛋白通过PYY细胞调控摄食
行为学实验表明，结肠鞭毛蛋白灌肠能快速抑制摄食，这种效应在Pyycre;Tlr5fl/fl小鼠中消失。通过新型"Crunch Master"系统精确分析发现，鞭毛蛋白主要延迟摄食起始时间而不改变进食频率。重要的是，这种效应在无菌小鼠中依然存在，证实是微生物非依赖性的直接感知机制。

这项研究首次阐明了一种全新的感官模式——"神经生物感知"，即宿主通过TLR5-PYY-迷走神经回路直接监测肠道微生物的分子模式来调控行为。Winston W. Liu等研究者发现的这一机制不仅解释了微生物如何实时影响宿主摄食行为，也为理解肠-脑轴在代谢调控中的作用提供了新范式。从转化医学角度看，这一发现为开发针对肥胖、代谢综合征等疾病的神经调节疗法提供了潜在新靶点。该研究将微生物感知领域从传统的免疫代谢视角拓展到了神经感官层面，具有重要的理论和应用价值。