2018年11月的“百迈客全国功能基因组学峰会”上，刘老师作为演讲嘉宾在“微生物分会场”做了精彩汇报，小编清晰记得刘老师的演讲题目为“The histone demethylase KDM5 regulates autism-like behavior by maintaining gut microbiota homeostasis”，当她讲到“孤独症”儿童的处境与状态时，她眼神中流露出的悲悯深深感染了我，我想她对自己研究领域的热爱与坚持一定也是出自于这种情怀吧。
接下来，我们一起来了解下刘老师的这篇文章取得了哪些突出进展吧！
研究背景
越来越多的研究表明，肠道菌群可以影响智力障碍（ID）和自闭症谱系障碍（ASD）的疾病症状，尽管宿主的基因能够影响肠道菌群，然而调控宿主共生菌群稳态的分子机制在正常和疾病状态下仍然未知。KDM5蛋白家族是一种转录调控因子，它通过组蛋白H3K4me3去甲基化修饰来发挥作用，然而在ID和ASD患者中，KDM5A/KDM5B/KDM5C发生了功能丧失型基因突变。果蝇的肠道菌群结构简单，遗传和生理易于操控，可以为宿主-微生物的互作研究提供良好的体系，此外携带与人类KDM5C（kdm5A512P）致病错义突变类似等位基因的果蝇表现出学习和记忆缺陷。与肠内共生菌接触的肠上皮细胞能够细菌信号产生活性氧，刘老师课题组的前期研究发现，KDM5能够调节果蝇的细胞氧化应激，因此本研究旨在探究KDM5通过调节肠道菌群来影响果蝇社交行为的机制。
重要结论
1. KDM5的缺乏导致了果蝇肠上皮屏障受损和社交行为减退
?图1. ?A：野生型（wt, w1118）和基因敲除型（kdm5K6801/10424）果蝇的KDM5, H3K4me3和组蛋白H3水平（Western blot）；B：wt和kdm5K6801/10424果蝇肠道组织KDM5转录水平（RNA-seq）；C：wt和kdm5K6801/10424果蝇消化道影像，红框内的斑点指示有肠道缺陷（气泡）；D：3-5龄wt和kdm5K6801/10424果蝇的肠道缺陷（气泡）比例；E：透射电镜观察wt和kdm5K6801/10424果蝇前、后中肠上皮屏障；F：蓝色食用染料标记、测量wt和kdm5K6801/10424果蝇的肠渗透性；G：异硫氰酸荧光素（FITC）标记的玻璃粉指示kdm5K6801/10424果蝇消化道渗透性较高；H：Myo1A-Gal4 TS/+和Myo1A-Gal4 TS/kdm5RNAi果蝇的头、肠组织的KDM5, H3K4me3和组蛋白H3水平（Western blot）；I：蓝色食用染料标记、测量Myo1A-Gal4TS/+和Myo1A-Gal4 TS/kdm5RNAi果蝇的肠渗透性；J、K和N：与wt果蝇相比，kdm5K6801/10424果蝇的接触距离变远、交往活跃度下降、雌性社交接触时间变短；L、M和O：与Myo1A-Gal4 TS果蝇相比，Myo1A-Gal4 TS/kdm5RNAi果蝇也发生了接触距离变远、社交活跃度下降、雌性交往接触时间变短。
?2. KDM5调节果蝇的肠道菌群组成
?图2. A：wt和kdm5K6801/10424果蝇“种”水平的肠道菌群类型；B：wt和kdm5K6801/10424果蝇肠道菌群OTU数目；C：wt和kdm5K6801/10424果蝇“门”水平的肠道菌群分层聚类；D：wt和kdm5K6801/10424果蝇“目”水平的肠道菌群相对丰度热图；E：3日龄wt、kdm510424、kdm5K06801、kdm5K6801/10424和kdm5k6801;gkdm5-HA果蝇肠道乳酸菌（Lactobacillus spp）数量（CFU/只）；F：4日龄wt、kdm510424、kdm5K06801、kdm5K6801/10424和kdm5k6801;gkdm5-HA果蝇肠道革兰氏阴性菌数量（CFU/只）；G：wt和kdm5K6801/10424果蝇肠道革兰氏阴性菌与阳性菌比例；H：wt和kdm5K6801/10424果蝇肠道L. plantarum L168和P. rettgeri P6丰度水平（q-PCR）；I：wt与kdm5K6801/10424、Myo1A-Gal4 TS/+与Myo1A-Gal4 TS/kdm5RNAi果蝇的中肠PH3正染色干细胞数目。
?图3. A-E：采用wt果蝇的菌群重塑后，1日龄无菌wt和kdm5K6801/10424果蝇的肠道革兰氏阴性菌数量（CFU/只）、乳酸菌（Lactobacillus spp.）数量（CFU/只）、革兰氏阴性菌与阳性菌的比例、L. plantarum L168和P. rettgeri P6相对丰度（RT-PCR）、接触距离、社交活跃度、雌性交往接触时间比较；F-N：采用wt果蝇的菌群重塑后，4日龄无菌wt和kdm5K6801/10424果蝇的比较（同上述A-E）。
3. 对果蝇肠道菌群的调控缓解了KDM5缺乏所诱导的表型
图4. A：无菌Myo1A-Gal4 TS/+和Myo1A-Gal4 TS/kdm5RNAi果蝇的接触距离比较；B：3种培养基（营养物琼脂、甘露糖琼脂和革兰氏阴性菌琼脂）培养的标准日粮和抗生物添加日粮对kdm5K6801/10424果蝇肠道致病菌数量（CFU/只）的影响；C-E：标准日粮和植物乳杆菌对kdm5K6801/10424果蝇的肠道缺陷（气泡）、接触距离和社交活跃度的影响；F-J：标准日粮和植物乳杆菌（L. plantarum L168）添加日粮对kdm5K6801/10424果蝇的植物乳杆菌（L. plantarum L168plantarum L168Lactobacillus spp.）数量（CFU/只）、肠渗透性、肠道缺陷（气泡）、接触距离和社交活跃度的影响；K-L：标准日粮和乳酸菌（Lactobacillus spp.）添加日粮对Myo1A-Gal4 TS/kdm5RNAi果蝇的接触距离和社交活跃度的影响；M-N：标准日粮和抗生素添加日粮对Myo1A-Gal4TS/kdm5RNAi果蝇的接触距离和社交活跃度的影响；O-S：5-羟色氨（5-HT）分别在wt与kdm5K6801/10424果蝇、标准日粮与抗生物添加日粮饲养的kdm5K6801/10424果蝇、标准日粮与乳酸菌（Lactobacillus spp.）添加日粮饲养的kdm5K6801/10424果蝇、Myo1A-Gal4 TS/+与Myo1A-Gal4 TS/kdm5RNAi果蝇、标准日粮与乳酸菌（Lactobacillus spp.）添加日粮饲养的Myo1A-Gal4 TS/kdm5RNAi果蝇组间的浓度（ng/mg）比较。
4. KDM5对免疫缺陷（IMD/Rel）信号通路具有负调控作用
图5. A-C：wt和kdm5K6801/10424果蝇肠道组织差异表达基因的分层聚类分析、GO富集分析和蛋白互作网络分析；D：与wt果蝇相比，kdm5K6801/10424果蝇肠道组织的抗菌和先天免疫反应基因相对表达（RT-PCR）；E：与kdm5K6801/10424果蝇相比，饲喂植物乳杆菌（L. plantarum L168）和抗生素日粮的kdm5K6801/10424果蝇肠道组织的抗菌和先天免疫反应基因相对表达；F：wt和kdm5K6801/10424果蝇肠道组织的PGRP-LC基因结构和转录模式；G-H：wt与kdm5K6801/10424果蝇肠道组织imd、PGRP-LC-RA、PGRP-LC-RE基因启动子区域的KDM5水平和H3K4me3水平分析（ChIp-qPCR）；I：kdm5K6801/10424和Myo1A-Gal4 TS/kdm5RNAi果蝇肠道组织，以及S2细胞的全长PGRP-LC-RA和PGRP-LC-RE表达分析（RT-PCR）；J：wt和kdm5K6801/10424果蝇肠道组织的Relish免疫荧光染色；K：wt和kdm5K6801/10424果蝇肠道组织的Relish基因启动子区域的Relish水平分析（ChIp-qPCR）。
5. KDM5去甲基化酶的活性调节了IMD/Rel通路的活性和肠-菌-脑轴功能
?图6. A：与kdm5k6801;gkdm5-HA果蝇相比，3-5日龄kdm5k6801;gkdm5JmjC*-HA（简称kdm5Jmjc*）果蝇肠道组织的抗菌和先天免疫反应基因的表达（RT-PCR）；B-C：3-5日龄kdm5k6801;gkdm5-HA和kdm5Jmjc*果蝇肠道的乳酸菌（Lactobacillus spp）、植物乳杆菌（L. plantarum L168）、P. rettgeri P6数量（CFU/只）；D：3-5日龄kdm5k6801;gkdm5-HA和kdm5Jmjc*果蝇中肠PH3正染色干细胞数目；E：3-5日龄kdm5k6801;gkdm5-HA和果蝇肠渗透性评估；F：异硫氰酸荧光素（FITC）标记的玻璃粉指示kdm5Jmjc*果蝇消化道渗透性较高；G-H：kdm5k6801;gkdm5-HA与kdm5Jmjc*果蝇的接触距离和交往活跃度比较；I-K：标准日粮与植物乳杆菌（L. plantarum L168）添加日粮对kdm5Jmjc*果蝇消化道渗透性、接触距离和交往活跃度的比较；L：kdm5k6801;gkdm5-HA和kdm5Jmjc*果蝇腹部组织的5-羟色胺（5-HT）浓度比较；M：标准日粮与植物乳杆菌（L. plantarum L168）添加日粮对kdm5Jmjc*果蝇5-HT浓度的影响。
6、抑制IMD信号通路可以改善KDM5缺乏导致的肠道失调和社交异常
图7. A：四组（Myo1A-Gal4TS/+、Myo1A-Gal4TS/+; kdm5RNAi/+、Myo1A-Gal4TS/+; kdm5RNAi/ imdRNAi和Myo1A-Gal4TS+; imdRNA/+）果蝇的肠道革兰氏阴性菌与阳性菌的比例；B：四组（如图A）果蝇的肠道L. plantarum L168和P. rettgeri P6相对丰度；C：四组果蝇的肠渗透性、接触距离、交往活跃度、交往接触时间、5-羟色胺（5-HT）浓度比较。
总结
该研究从遗传、环境和免疫因素进行研究为“孤独症”的预防和治疗提供了新思路。刘老师课题组以果蝇作为模型动物，发现遗传因素调控了固有的免疫信号通路，进而造成了以肠道菌群结构为代表的内环境因素紊乱，导致免疫因素的抑制性神经递质5-羟色胺浓度升高。然而，抗生素或植物乳杆菌饲喂以及抑制固有免疫的过度激活均可改善了KDM5基因功能缺乏导致的果蝇社交孤独样的“社交”行为、寿命和细胞表型，最终揭示了组蛋白去甲基化酶KDM5通过免疫系统和肠道菌群调节果蝇社交行为的机制。
通讯作者简介：刘星吟
南京医科大学特聘教授，博士生导师。2006年获得中山大学理学博士学位，2006年至2015年10月，先后在美国Rochester大学从事肠道病原微生物与宿主相互作用的信号转导机制的研究。2010-2015年 在美国爱因斯坦医学院从事自闭症关联基因的表观遗传学研究。2015.10作为高层次引进人才受聘于南京医科大学基础医学院。2016.9月被评为南医大特聘教授，2017年被评为江苏特聘教授，目前担任南京医科大学肠道微生态创新团队的组长，主要致力于肠道微生物与人类疾病关联的临床和基础研究。
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