果蝇单细胞转录组揭示肠道微生物组通过年龄依赖性方式调控脑细胞特异性基因程序

本研究通过单细胞RNA测序(scRNA-seq)构建了首个无菌与带菌果蝇大脑单细胞转录组图谱，揭示肠道微生物组通过年龄依赖性方式调控脑细胞特异性基因表达，其中胶质细胞和多巴胺能神经元(DA neurons)对微生物组响应最显著，差异基因富集于线粒体功能(mt:ND1/ND5)、能量代谢和Notch信号通路，为理解微生物-肠-脑轴(Microbiome-Gut-Brain Axis)的细胞分子机制提供新见解。

　　

在生命科学领域，肠道微生物组如何远程调控大脑功能始终是未解之谜。随着研究的深入，科学家们发现这个被称为"微生物-肠-脑轴"的双向通讯系统，与帕金森病、自闭症等神经精神疾病密切相关。然而，由于哺乳动物大脑的极端复杂性（人类大脑含860亿神经元）和微生物组的多样性（500-1000种微生物），精确解析其细胞分子机制面临巨大挑战。果蝇作为模式生物，凭借其相对简单的神经系统（约1.2万个神经元）和可控的微生物组，成为破解这一难题的理想选择。

佛罗里达大学的研究团队在《npj Biofilms and Microbiomes》发表的研究中，首次构建了无菌与带菌果蝇大脑的单细胞转录组图谱。通过分析34,427个细胞的基因表达特征，研究人员发现肠道微生物组会以年龄依赖性方式重塑脑细胞的转录程序，其中老年果蝇的神经胶质细胞和多巴胺能神经元表现出最显著的响应，这些发现为理解微生物组如何通过特定细胞类型影响大脑功能提供了全新视角。

研究采用四个关键技术方法：(1)建立无菌和微生物定植的果蝇模型（5-7天年轻组和27-30天老年组）；(2)10x Genomics单细胞转录组测序技术构建包含101个细胞簇的脑图谱；(3)16S rRNA基因测序分析年龄相关的肠道菌群变化；(4)基于MAST框架的单细胞差异表达分析和π_g指数量化微生物组响应强度。

单细胞转录组图谱揭示56种脑细胞类型

通过整合多个果蝇脑scRNA-seq数据集建立的参考数据库，研究鉴定出56种明确注释的细胞类型，包括中央神经系统神经元（如多巴胺能神经元）、视叶神经元（如TmY5a）以及多种胶质细胞。其中亚外周神经胶质(subperineurial glia)作为血脑屏障的关键组成成分被重点标注。

微生物组诱导的转录变化呈年龄依赖性增强

老年果蝇大脑检测到9,674个差异表达基因(DEGs)，显著多于年轻组的3,619个。通过π_g指数分析发现，线粒体基因(mt:ND1/CoIII等)在无菌老年果蝇中普遍上调，且这种变化跨越大多数细胞类型。基因集富集显示这些DEGs主要参与电子传递链(ETC)和ATP合成等能量代谢通路。

胶质细胞和多巴胺能神经元是最敏感靶点

全局转录组分析和DEG特异性分析共同表明，亚外周神经胶质、多巴胺能神经元和T1神经元对微生物组变化最敏感。在亚外周神经胶质中，COX4/7A等氧化磷酸化基因和E(spl)mβ-HLH等Notch信号基因显著上调；多巴胺能神经元则表现出激素代谢基因(CG9512)和细胞色素P450家族基因(Cyp6d5)的剧烈波动。

年龄相关的菌群变化与脑转录响应正相关

16S测序显示老年果蝇肠道中醋杆菌(Acetobacter)的相对丰度从98%降至23%，而Commensalibacter intestini等菌种显著增加，同时菌群载量（CFU测定）和α多样性（Shannon指数）显著提升。这些变化与老年大脑更强的转录响应存在显著关联。

这项研究首次在单细胞分辨率上揭示了肠道微生物组通过年龄依赖性方式调控脑功能的分子图谱。特别值得注意的是，血脑屏障组成细胞（亚外周神经胶质）和神经递质相关神经元（多巴胺能神经元）作为微生物组作用的关键靶点，其基因表达变化主要涉及线粒体功能重塑和能量代谢重编程。这些发现不仅为理解微生物-肠-脑轴提供了细胞类型特异性的分子证据，更暗示了老年个体中菌群失调可能通过影响脑能量稳态，进而参与神经退行性病变的发生发展。该研究建立的果蝇单细胞分析框架，为后续探索特定微生物代谢物如何影响神经细胞功能奠定了基础。