Cell | 系统解析肠道神经元的分型、投射和功能|cell|亚群|内源性|外源性|神经节|肠道神经元

撰文 |Sure

肠道不仅是消化系统器官，更是一个具备高度神经调控功能的系统，调节蠕动、消化、排泄、体液平衡与食物摄取等多种生理过程。控制这些功能的神经网络被统称为肠道神经系统（Intestinal Nervous System,INS），由两大类神经元构成：外源性神经元（extrinsic neurons）和内源性神经元（intrinsic neurons）。外源性神经由感觉神经与自主神经组成，连接肠道与中枢神经系统。内源性神经元即肠神经系统（Enteric Nervous System,ENS），嵌入肠壁，是最庞大、最复杂的部分【1,2】。然而，ENS的研究一直受限于标记基因高度重叠，无法清晰区分不同亚群。由于传统方法难以将ENS与外源性神经元区分，导致各神经亚群的分子特征与具体功能尚不清楚。

近日，来自美国哥伦比亚大学欧文医疗中心的 Nikhil Sharma 课题组在 Cell 上发表了研究论文 Properties and functions of transcriptionally distinct enteric neurons 。在本研究中，该课题组建立的系统的遗传学工具精确标记、操控并分离内源性与外源性肠神经群，解析了不同转录类型的肠神经元如何通过独特的解剖投射与外源神经互作来分别调控肠道运动、排便、液体平衡和食物摄取。

为了精确标记和操控ENS及其亚群，探索它们在肠道生理（运动、排便、食物摄取）中的功能及其与外源性神经元的交互作用，研究人员首先希望在分子与空间层面精确标记各类神经元。过去由于基因表达重叠，这一点很难做到。在本研究中，作者利用 Elavl4基因驱动的重组酶（FlpO ERT2 / Cre ERT2 ）系统实现全肠神经元（pan-enteric）标记，结合scRNA-seq获得八个主要转录学上不同的ENS亚群（α、β、γ、δ、ε、ζ、η、θ）。作者基于差异表达基因（如Oprk1、Cck、Gad2、Sst等）建立相应的特异性Cre/FlpO驱动系统，使用AAV局部注射实现不同肠段（胃、小肠、大肠）的区域特异标记。通过建立这个全面的遗传学系统，作者可以独立操控每个转录亚群。

在建立了遗传工具后，作者继而研究各神经元亚群在肠道中如何分布及其形态与功能有何差异？他们使用双重重组系统（Cre–Flp）消除外源性神经元标记干扰，分析每个亚群的轴突投射模式与形态分布。研究发现，不同亚群具有独特的解剖投射模式， α、β 亚群支配环形平滑肌，分别为兴奋性与抑制性运动神经元； γ 亚群投射至腹腔/肠系膜神经节； δ、ζ 亚群为肠内中间神经元； θ、η 亚群则支配肠绒毛和腺体区域。随后作者结合神经递质与基因表达谱，确定不同亚群的神经化学特性，并利用化学遗传学调控各亚群活性，测量其对肠道蠕动、排便、含水量与食物摄取的影响。结果表明，激活α、β可促进排便、加快肠道运输；激活γ、δ、η则抑制排便并减少进食；激活θ、η增加粪便含水量。这些结果证明不同ENS亚群控制肠功能的不同环节，下肠段神经元的影响最直接。

传统观点认为ENS可独立调控肠功能，但作者认为 ENS的部分神经元可能通过与外源性神经元互动来实现复杂调控。为了验证这个推测，作者分别标记三种外源性神经群（交感、迷走、感觉神经），追踪它们在肠壁的投射，发现这些外源性神经密集分布于肠神经节，与ENS形成突触网络。作者选取 γ 亚群验证与外源性神经元的互作，这是因为下肠γ亚群同时能抑制排便/延长肠道运输时间以及抑制进食，这意味着它可能处在肠道运动和食欲调控的交叉点上，更可能需要与外源系统协作。深入研究发现， γ亚群抑制排便功能，需要交感通路； γ亚群抑制进食，需要 DRG 感觉通路。更进一步的分子证据证明， γ亚群激活后释放胆囊收缩素，需要 DRG 把肠道状态上报，再影响中枢食欲环路。这部分结果表明，ENS并非完全自主，其部分神经元通过与外源性神经元交互形成更高层次的肠—脑—交感网络，共同调控排便与进食。

总的来说，本研究系统地绘制了肠神经系统的分子、解剖与功能图谱，揭示了其与外源神经网络的协同机制，打破了肠神经系统完全自主的传统认知，为理解肠—脑—代谢调控网络提供了遗传学工具与理论基础。