Peptidoglycan在肠-视网膜轴致糖尿病视网膜微血管损伤中的作用及机制

Alteration of gut microbiota plays an essential role in the progression of diabetes. Recently, the concept of “gut-retina axis” has been raised that bacteria and pathogen-associated molecular patterns (PAMPs) can cross the disrupted gut barrier and translocate into the circulation, leading to age-related macular degeneration. However, it is still unclear whether the gut-retina axis also plays an role in diabetic retinopathy （DR），and the essential PAMPs remain un-identified. In our previous work, we established a mouse model of DR, Akita mice. We used both 16s rRNA gene sequencing and metatranscriptome analysis, and identified that the pathways of a PAMP, peptidoglycan (PGN), biosynthesis were particularly enriched in the fecal samples from the Akita mice. Associated with the finding, the plasma level of PGN was also increased in diabetic mice with DR when compared to wild type controls. We hypothesize that PGN as an essential PAMP of gut-retina axis results in microvascular injury in DR. We will investigate the effect of circulating PGN on the progression of DR. Then we will discuss whether NOD1 (receptor for PGN) deficiency will prevent the progression of DR using a double mutant mice model. Furthermore, we will explore the molecular mechanisms of the deleterious effects of PGN and to determine whether it is RIP2-NF-κB dependent. This project will uncover an essential role of PGN in the “gut-retina axis” and elucidate a novel mechanism for the microvascular injury in diabetic retinopathy.

肠道菌群在糖尿病及其并发症中的重要作用引起了越来越多学者的关注。近年有研究提出“肠-视网膜轴”概念，但其在糖尿病视网膜病变中的作用及其中关键性病原体相关性分子尚不明确。我们前期建立了糖尿病视网膜病变（Akita）小鼠模型，并运用高通量16s rRNA基因测序及转录组测序，发现Akita小鼠肠道微生物菌群中的peptidoglycan（PGN）合成通路较对照组显著增加，同时伴有循环PGN水平升高。因此，我们提出假设：病原体相关性分子PGN作为肠-视网膜轴的核心因子，在糖尿病视网膜病变微血管损伤中起到重要作用。本项目拟先观察循环中PGN对糖尿视网膜病变进展的影响,再运用基因敲除模型分析阻断PGN受体（NOD1）是否可以延缓视网膜微血管损伤，再深入探讨此过程是否依赖于RIP2-NFκB通路。本研究将揭示PGN作为肠-视网膜轴中的关键因子，其致糖尿病视网膜微血管损伤的全新分子机制。

本课题从“肠-视网膜轴”角度出发，研究肠道微生物病原体相关性分子（pathogen-associated molecular patterns, PAMPs）对糖尿病视网膜病变的影响及相关机制。在糖尿病中，由于肠道屏障的受损和通透性增加，许多致病性的细菌及其代谢产物，例如病原体相关性分子如Peptidoglycan（PGN）、lipopolysaccharide （LPS）等可通过肠道进入循环，但肠道菌群致病分子及代谢产物PAMPs进入循环后对糖尿病远端靶器官及微血管并发症的影响尚不十分明确。本项目按原定计划构建和饲养了Akita小鼠模型，以及db/db糖尿病小鼠模型，首先观察了各糖尿病小鼠和野生型小鼠的肠道微生物病原体相关性分子（如PGN、LPS）的表达，并基于前期实验的结果，探讨了肠道微生物病原体相关性分子对糖尿病小鼠视网膜病变的表型影响以及探讨了注射相关PAMPs进入糖尿病小鼠体内后，其致糖尿病视网膜微血管损伤的具体细胞及分子机制。本项目研究结果发现，循环中LPS及PGN等核心肠道微生物病原体相关分子在1型以及2型糖尿病小鼠模型中均较对照组显著升高。外周注射LPS导致糖尿病小鼠视网膜层间结构、电生理反应受损加重，并且LPS加重了糖尿病视网膜微血管中无细胞毛细血管网的增加，提示了LPS在糖尿病视网膜眼病发生发展中的重要作用。此外，我们亦按原计划构建了PGN注射后的糖尿病小鼠实验模型，在该实验模型中，我们发现具有血管修复作用的骨髓造血干/前体细胞的数量及功能受到了PGN干预的影响，我们发现PGN的增加导致糖尿病小鼠骨髓HSPC的数量，细胞增殖及迁移功能也明显受损，且CFU分析表明其有分化为髓系促炎细胞倾向。再进一步探讨PGN致HSPC的损伤机制中我们发现，其分子机制为NOD1依赖性的骨髓自主神经病变影响骨髓微环境，从而导致HSPC细胞数量及功能受损。而骨髓特异性的NOD1敲除模型的视网膜微血管表型亦在进一步研究中。本项目研究结果详细展现了PAMPs在“肠-骨髓-视网膜”轴中的核心作用，对糖尿病视网膜眼病的分子整合机制有深入的研究。