热暴露经血清素介导的肠-脑轴重塑肠道菌群以促进热驯化

《Environment International》：Heat exposure remodels the gut microbiota to promote heat acclimation through a serotonin-mediated gut–brain axis

　　

热暴露通过血清素介导的肠-脑轴重塑肠道菌群以促进热驯化
•长期热暴露重塑肠道菌群，从而促进热驯化。
•移植热适应菌群通过抑制代谢产热，改善受体肉鸡的体温调节。
•血清素（5-HT）-TRPC4肠-脑信号介导对环境变暖的适应。

**热暴露经血清素介导的肠-脑轴重塑肠道菌群促进肉鸡热驯化的机制解读**

全球气温持续上升对动物健康、农业可持续性和食品安全构成重大威胁。恒温动物（包括家禽和啮齿动物）在波动环境中维持核心体温稳定，并通过代谢可塑性实现适应。热驯化是恒温动物对长期或反复高温暴露的关键适应性反应，表现为核心体温和皮肤温度降低、心血管适应性改善、出汗增多及体液平衡改善。已有证据表明，肠道菌群可深刻影响宿主表型响应和环境适应性，但相关研究多集中于哺乳动物冷暴露模型，鸟类中肠道菌群是否参与热驯化及其机制尚不清楚。肉鸡代谢率高、基础体温高，对热应激高度敏感，是研究恒温动物高温适应的理想非传统模型。该研究旨在阐明肠道菌群在肉鸡热驯化中的作用及其肠-脑轴机制。研究人员通过高温暴露构建肉鸡热驯化模型，利用粪便菌群移植（fecal microbiota transplantation, FMT）验证热适应菌群的功能，并结合代谢组学与分子生物学手段揭示关键通路。最终发现热暴露重塑肠道菌群，通过抑制代谢产热促进热驯化；机制上，菌群通过调节色氨酸代谢，提高下丘脑血清素（5-hydroxytryptamine, 5-HT）水平，进而上调TRPC4（瞬时受体电位阳离子通道亚家族C成员4）表达，增强热敏感神经元活性，介导适应性产热抑制。该研究首次在禽类中揭示了菌群-肠-脑轴参与热驯化的因果证据，为应对气候变暖提供了新策略。该论文发表于《Environment International》。

**主要技术方法**（不足250字）：研究使用源自江苏商业孵化场的Arbor Acres肉鸡，在南京农业大学环境控制舱内饲养。关键技术包括：16S rRNA基因扩增子测序分析盲肠菌群结构；非靶向LC-MS代谢组学与靶向LC-MS/MS定量色氨酸代谢物；RT-qPCR和Western blot检测基因与蛋白表达；RNAscope免疫荧光检测TRPC4与c-Fos共定位；原代下丘脑神经元培养结合钙成像评估5-HT效应；脑室内注射AAV-shRNA实现TRPC4敲低；并进行了FMT实验，供体为热适应组（HT）和对照组（CON）肉鸡，受体分为CF组和HF组。

**研究结果**

**2.1 热暴露通过持续抑制肉鸡产热诱导生理和内分泌适应**：研究人员对肉鸡进行3周高温（32±1°C）暴露，发现热暴露组直肠温度和头部、翅下表面温度在整个适应期持续较高，但恢复3天后基础直肠温度更低且热稳定性增强。耗氧量在第二、三周分别下降约30%和40%。血清皮质酮无变化，而三碘甲状腺原氨酸（T3）及T3/T4比值持续降低，甲状腺素（T4）也从第一周起下降。胸肌和肝脏中产热相关基因avUCP、PGC-1α等表达在第三周显著下调，表明热驯化诱导持续的低代谢表型。

**2.2 热暴露重塑盲肠微生物群落**：通过16S测序，热暴露组Shannon多样性指数在第三周显著下降，β多样性随时间分离。微生物生态网络分析显示HT组网络复杂度逐渐降低。门水平上，Bacteroidota和Firmicutes仍占优势，但Proteobacteria丰度增加，Bacteroidota/Firmicutes（B/F）比值持续下降。属水平上，Bacteroides丰度减少，Lactobacillus和Ruminococcus_torques_group丰度增加。说明热暴露重构了肠道微生物群落。

**2.3 来自热适应供体的FMT通过抑制代谢产热提高热耐受力**：研究人员将热适应菌群移植给1日龄雏鸡（HF组），对照组接收常温菌群（CF组）。在后续循环热应激中，HF组存活率更高，直肠温度更低，耗氧量显著降低；血清皮质酮、T3及T3/T4比值更低；肌肉和肝脏中avUCP、PGC-1α、Adrb2/3等产热基因及蛋白表达广泛下调。表明热适应菌群可转移热驯化表型。

**2.4 热适应供体的FMT重编程盲肠菌群的色氨酸代谢**：对受体肉鸡盲肠内容物进行非靶向代谢组学，共检出2979种代谢物。HF组与CF组代谢谱明显分离，色氨酸相关代谢物差异显著，其中5-HT和N-甲基色胺减少，而色氨酸、犬尿喹啉酸、吲哚-3-甲醛、5-羟基吲哚乙酸（5-HIAA）和丁酸增加。KEGG通路富集显示主要涉及色氨酸代谢等途径。说明菌群重塑驱动色氨酸代谢协同重编程。

**2.5 菌群驱动的色氨酸代谢增加下丘脑5-HT合成和TRPC4表达**：HF组受体血清中色氨酸、5-HT和5-HIAA浓度升高，下丘脑中色氨酸和5-HT水平也显著增加，且TPH2（色氨酸羟化酶2）表达呈上升趋势，TDO（色氨酸2,3-双加氧酶）mRNA上调。在TRP通道家族中，TRPC4 mRNA和蛋白水平显著升高，且TRPC4阳性神经元数量及TRPC4⁺/c-Fos⁺双阳性神经元比例增加，提示热适应菌群增强了下丘脑热敏感神经元活性。

**2.6 5-HT上调TRPC4表达增强下丘脑神经元热敏感性**：体外培养鸡胚原代下丘脑神经元，以不同浓度5-HT处理24小时。结果显示1μM和10μM 5-HT显著上调TRPC4和5-HT2A受体mRNA，同时降低TPH2表达；蛋白水平上TRPC4丰度增加。钙成像显示5-HT处理提高基础胞内Ca²⁺水平，并在热刺激时加快响应速度和增加峰值幅度，表明5-HT以浓度依赖性方式增强神经元热敏感性。

**2.7 下丘脑TRPC4敲低消除中枢5-HT诱导的降温效应**：通过脑室内注射AAV-shRNA敲低下丘脑TRPC4。结果表明TRPC4缺陷肉鸡基础直肠温度持续升高，中枢5-HT在对照动物中降低体温，但在敲低组中无此效应。热应激期间，NC_5HT组维持最低直肠温度和头表面温度，而TRPC4_5HT组与TRPC4_Sal组无异。敲低还阻断了5-HT对产热基因的抑制作用，并减少PACAP和BDNF表达。说明TRPC4是5-HT介导的热适应反应所必需的下游介质。

**讨论与结论**：讨论指出，该研究提供禽类中菌群-肠-脑轴参与热驯化的证据。热暴露抑制代谢产热是可传递的表型，菌群变化中Bacteroides减少可能减少对色氨酸的竞争性消耗，增加宿主色氨酸可利用性。外周5-HT不能直接进入大脑，但色氨酸可穿过血脑屏障，支持下丘脑5-HT升高的机制。TRPC4在下丘脑视前区富集，与哺乳动物中已知的体温调节中枢功能一致。研究局限性包括缺乏菌株水平解析及其他TRP通道的可能冗余。

研究结论部分翻译：总之，本研究表明，长期高温暴露重塑肠道菌群，从而促进肉鸡对热的代谢和生理适应。进一步研究确定下丘脑5-HT是菌群介导的肠-脑调节的关键组分，有助于抑制内源性产热并提高耐热性。此外，TRPC4敲低消除了5-HT的降温效应，表明下丘脑TRPC4是热驯化中5-HT依赖性体温调节的关键下游介质。这些发现为肠-脑轴在热适应中的作用提供了机制框架，并提出了提高禽类及其他面临气候相关热挑战物种耐热性的新策略。