背景:抑郁症(Depression)是一种普遍存在且危及生命的精神疾病,在全球范围内,超过3亿人罹患抑郁症。2017年世界卫生组织(WHO)报告,全球目前有3亿人患有抑郁症,抑郁症可能成为导致残疾和全球疾病负担的主要原因。褪黑素(Melatonin,MT)在同步昼夜节律方面具有关键作用,且抑郁症的主要特征就是昼夜节律紊乱导致的睡眠障碍和MT分泌紊乱。N-乙酰基-5-羟色胺-甲基转移酶(N-acetyl-5-hydroxytryptaminemethyltransferase,ASMT)是MT合成的关键限速酶,抑郁症患者MT水平的下降可能与ASMT的表达和活性降低有关。长期服用MT可减轻小鼠大脑的神经炎症,发挥神经保护作用,而抑郁症的病理生理学和抗抑郁药起效过程均与神经炎症的改善有关。抑郁症的神经炎性表现为促炎细胞因子(如IL-1β和IL-6)水平升高,抗炎细胞因子(如IL-4和IL-10)水平降低。肠道菌群的微生态失衡会破坏宿主的免疫应答,诱发各种炎症性疾病,肠道菌群可能参与抑郁症的神经炎症机制。研究发现,MT在运动调控生物节律与改善抑郁行为方面发挥了重要作用。此外,运动可通过调节神经炎症、改善肠道菌群,进而抑制脑疾病的发生。然而,运动的抗抑郁作用是否与ASMT及其在神经炎症和肠道菌群中的调节作用有关,尚需进一步探讨。目的:探究ASMT基因敲除和运动对小鼠抑郁行为及神经炎症和肠道菌群的影响,并在此基础上,进一步探讨运动是否可以改善神经炎症、调节肠道菌群,进而缓解ASMT基因敲除诱发的抑郁行为。方法:本实验选用12只雌性纯合子ASMT基因敲除小鼠,14只同窝雌性野生型C57BL/6小鼠,6-7周龄,18-20g。将ASMT基因敲除小鼠随机分为敲除安静组(KO组,n=6)和敲除运动组(KE组,n=6);野生型小鼠随机分为野生安静组(WT组,n=7)和野生运动组(WE组,n=7)。WE组与KE组小鼠自2月龄开始接受为期12周的跑台训练,训练期间收集小鼠粪便。跑台训练结束后所有组别小鼠进行行为学测试,包括强迫游泳实验(FST)、悬尾实验(TST)、和糖水偏好实验(SPT)。之后将小鼠麻醉断颈处死,取血清、前额皮质和下丘脑。采用Elisa检测血清CRP、IL-6、5-HT的含量;采用RT-PCR检测前额皮质TLR4、NF-κB、IL-18、IL-1β、TLR2等TLR4/NF-κB信号通路相关基因以及IL-6、TNFα、IFN-γ、CASP1等促炎因子和IL-10、IL-13等抗炎因子。采用Western blotting检测下丘脑TLR4、p-IKBα、p65、p-p65和IL-Iβ的蛋白水平;采用16SrRNA基因测序检测小鼠粪便样本中菌群的组成和丰度。结果:(1)抑郁行为学实验结果显示,与WT组小鼠相比,KO组小鼠在强迫游泳实验中的不动时间显著增加(P<0.01)、挣扎时间显著减少(P<0.05),在悬尾实验中的不动时间显著增加(P<0.05)、挣扎时间显著减少(P<0.05);与KO组小鼠相比,KE组小鼠在强迫游泳实验中的不动时间显著减少(P<0.05),在悬尾实验中的不动时间显著减少(P<0.01)、挣扎时间显著增加(P<0.05),糖水偏好显著升高(P<0.01)。(2)血清酶联免疫吸附实验结果显示,与WT组小鼠相比,KO组小鼠IL-6浓度显著升高(P<0.01)、5-HT浓度显著降低(P<0.01),WE组小鼠5-HT浓度显著升高(P<0.05);与KO组小鼠相比,KE组小鼠CRP(P<0.05)和IL-6(P<0.01)的浓度显著降低,5-HT浓度显著升高(P<0.05)。(3)前额皮质相关炎症因子Real-time PCR结果显示,与WT组小鼠相比,WE组小鼠CASP1mRNA水平显著降低(P<0.01);与WT组小鼠相比,KO组小鼠IL-6、TNFα、IFN-γ的mRNA水平均显著升高(P<0.05),IL-10(P<0.05)、IL-13(P<0.01)的mRNA水平均显著降低;与KO组小鼠相比,KE组小鼠IL-6(P<0.05)、TNFα(P<0.05)、IFN-γ(P<0.01)、CASP1(P<0.05)的mRNA水平均显著降低,IL-13 mRNA水平显著升高(P<0.05)。(4)前额皮质TLR4/NF-κB信号通路相关基因Real-time PCR结果显示,与WT组小鼠相比,KO组小鼠TLR4(P<0.05)、NF-κB(P<0.01)、IL-18(P<0.05)、IL-1β(P<0.05)、TLR2(P<0.01)的mRNA水平均显著升高;与KO组小鼠相比,KE组小鼠TLR4(P<0.05)、NF-κB(P<0.01)、IL-18(P<0.01)、IL-1β(P<0.05)、TLR2(P<0.05)的mRNA水平均显著降低。下丘脑TLR4/NF-κB信号通路相关蛋白Western blotting结果显示,与WT组小鼠相比,KO组小鼠TLR4和p-p65的蛋白水平水平均显著升高(P<0.05),p65磷酸化水平显著升高(P<0.01);与KO组小鼠相比,KE组小鼠p65磷酸化水平显著降低(P<0.05)。(5)肠道菌群16SrRNA基因测序结果显示,在运动干预的第四周,与WT组小鼠相比,KO组小鼠chao1多样性指数显著降低(P<0.05),与WE组小鼠相比,KE组小鼠chao1多样性指数显著升高(P<0.01);在运动干预的第八周,与KO组小鼠相比,KE组小鼠chao1多样性指数显著升高(P<0.05),与WE组小鼠相比,KE组小鼠chao1多样性指数显著升高(P<0.01)。细菌群落的相对丰度结果显示,在门水平上,四组小鼠粪便中拟杆菌门(66.7%)、厚壁菌门(23.4%)、变形菌门(5%)、epsilonbacteraeota(2%)相对丰度较高;在科水平上,Muribaculaceae(52.1%)、毛螺菌科(9.8%)、疣微菌科(8.7%)、普雷沃氏菌科(6.9%)相对丰度较高。差异物种进化分支显示,在运动干预的第四周,WT组小鼠中乳杆菌科起主要作用,WE组小鼠中螺杆菌科、黄杆菌科、Atopobiaceae、Christensenellaceae起主要作用,KO组小鼠中双歧杆菌科、噬菌弧菌科、鞘脂单胞菌科、芽单胞菌科、优杆菌科、梭菌科、Azospirillaceae、Anaeroplasmataceae起主要作用,KE组小鼠中支原体科、亚硝化单胞菌科、脱硫盒菌科、Magnetospiraceae、Muribaculaceae起主要作用;在运动干预的第八周,WT组小鼠中双歧杆菌科、消化链球菌科起主要作用,WE组小鼠中疣微菌纲、脱硫弧菌科、韦荣氏菌科起主要作用,KO组小鼠中红蝽菌科、伯克氏菌科、芽单胞菌科、Christensenellaceae、Marinilabiliaceae、Micropepsaceae、Erysipelotrichaceae起主要作用,KE组小鼠中棒状杆菌科、支原体科、巴斯德氏菌科、拜叶林克氏菌科、梭菌目、Methyloligellaceae起主要作用。结论:(1)ASMT基因敲除可导致小鼠抑郁行为,而运动可以缓解ASMT基因敲除导致的抑郁行为。(2)ASMT基因敲除导致的抑郁行为及中枢炎症与TLR4/NF-κB信号通路的激活有关,而运动可以通过抑制TLR4/NF-κB信号通路逆转炎症反应,进而缓解抑郁行为。(3)ASMT基因敲除影响肠道菌群多样性,其介导抑郁病理的机制可能与TLR4/NF-κB信号通路激活诱导的肠道菌群失调有关;而运动通过调节“微生物-肠-炎症-脑”轴改善肠道菌群紊乱进而缓解ASMT基因敲除导致的抑郁行为。