The intestinal microbiota influence neurodevelopment, modulate behavior, and contribute to neurological disorders. However, a functional link between gut bacteria and neurodegenerative diseases remains unexplored. Synucleinopathies are characterized by aggregation of the protein α-synuclein (αSyn), often resulting in motor dysfunction as exemplified by Parkinson's disease (PD). Using mice that overexpress αSyn, we report herein that gut microbiota are required for motor deficits, microglia activation, and αSyn pathology. Antibiotic treatment ameliorates, while microbial re-colonization promotes, pathophysiology in adult animals, suggesting that postnatal signaling between the gut and the brain modulates disease. Indeed, oral administration of specific microbial metabolites to germ-free mice promotes neuroinflammation and motor symptoms. Remarkably, colonization of αSyn-overexpressing mice with microbiota from PD-affected patients enhances physical impairments compared to microbiota transplants from healthy human donors. These findings reveal that gut bacteria regulate movement disorders in mice and suggest that alterations in the human microbiome represent a risk factor for PD.

A mosaic of cross-phylum chemical interactions occurs between all metazoans and their microbiomes. A number of molecular families that are known to be produced by the microbiome have a marked effect on the balance between health and disease1–9. Considering the diversity of the human microbiome (which numbers over 40,000 operational taxonomic units10), the effect of the microbiome on the chemistry of an entire animal remains underexplored. Here we use mass spectrometry informatics and data visualization approaches11–13 to provide an assessment of the effects of the microbiome on the chemistry of an entire mammal by comparing metabolomics data from germ-free and specific-pathogen-free mice. We found that the microbiota affects the chemistry of all organs. This included the amino acid conjugations of host bile acids that were used to produce phenylalanocholic acid, tyrosocholic acid and leucocholic acid, which have not previously been characterized despite extensive research on bile-acid chemistry14. These bile-acid conjugates were also found in humans, and were enriched in patients with inflammatory bowel disease or cystic fibrosis. These compounds agonized the farnesoid X receptor in vitro, and mice gavaged with the compounds showed reduced expression of bile-acid synthesis genes in vivo. Further studies are required to confirm whether these compounds have a physiological role in the host, and whether they contribute to gut diseases that are associated with microbiome dysbiosis. Metabolomics data from germ-free and specific-pathogen-free mice reveal effects of the microbiome on host chemistry, identifying conjugations of bile acids that are also enriched in patients with inflammatory bowel disease or cystic fibrosis.

SUMMARY The gastrointestinal (GI) tract is extensively innervated by both intrinsic neurons of the enteric nervous system (ENS) and extrinsic neurons of the central nervous system (CNS) and peripheral ganglia that together regulate gut motility, secretion, and immunity. The GI tract also harbors a diverse microbiome, but interactions between the ENS and the gut microbes remain poorly understood. Herein, we activated gut-associated neurons in mice to determine effects on intestinal microbial communities and their metabolites, as well as on host physiology. We used recombinant adeno-associated viral vectors with enhanced tropism for the gut, and no targeting to the brain, to chemogenetically activate either choline acetyltransferase (ChAT)-expressing or tyrosine hydroxylase (TH)-expressing neurons in the periphery. Targeted activation of discrete neuronal subtypes distinctively altered the metagenome, fecal metabolome, and mouse and microbial proteomes. The resulting datasets provide a rich resource, revealing broad and previously unknown roles for ChAT + and TH + neurons in modulating microbiome structure, and providing evidence for novel ENS functions such as shaping bile acid profiles and regulating fungal colonization of the gut. Further, ChAT + neuronal activation upregulated transcriptional pathways for muscle cell proliferation, angiogenesis, and muscle development. Physiologically, while mice displayed increased fecal output following activation of gut-associated ChAT + and TH + neurons, only ChAT + neuronal activation resulted in increased colonic migrating motor complexes and diarrhea-like fluid secretion. These findings suggest that specific subsets of peripherally-activated ENS neurons differentially regulate the gut microbiome and GI physiology in mice.

Abstract INTRODUCTION Preclinical studies reveal that the microbiome broadly affects immune responses and the deposition and/or clearance of amyloid-beta (Aβ) in mouse models of Alzheimer’s disease (AD). Whether the microbiome shapes central and peripheral immune profiles in AD models remains unknown. METHODS We examined adaptive immune responses in two mouse models containing AD-related genetic predispositions (3xTg and 5xFAD) in the presence or absence of the microbiome. RESULTS T and B cells were altered in brain-associated and systemic immune tissues between genetic models and wildtype mice, with earlier signs if inflammation in female mice. Systemic immune responses were modulated by the microbiome and differed by sex. Further, the absence of a microbiome in germ-free mice resulted in reduced cognitive deficits, primarily in female mice. DISCUSSION These data reveal sexual dimorphism in early signs of inflammation and the effects of the microbiome, and highlight a previously unrecognized interaction between sex and the microbiome in mouse models of AD. Research in Context Systemic review: We reviewed the literature related to Alzheimer’s disease (AD), inflammation, and the microbiome using PubMed. We cite several studies that demonstrate the influence of the microbiome on inflammation and cognitive performance in both animal models and humans. However, the mechanisms linking immunity to AD are not well understood. Interpretation: Using two well-established mouse models of AD, we found that the microbiome does not strongly influence the onset of inflammation in brain-draining lymph nodes; rather, it largely modulates systemic immune responses, local cytokine production, and cognitive performance. Notably, the inflammatory state in mice was affected by sex, and this sex effect differed between local and systemic tissues and mice with or without a microbiome. Future directions: Our work identified a sex- and microbiome-mediated effect on inflammation and cognitive performance. Future studies may focus on microbiome-dependent mechanisms that intersect with sex hormone and immune responses to determine peripheral effects on AD outcomes. Highlights Adaptive immunity is activated at early ages and differentially by sex in mouse models of AD. Inflammation in 5xFAD mice is characterized by increased IL-17A-producing T cells. Inflammation in 3xTg mice is characterized by increased cytokine responses in males, but attenuated cytokine responses in female mice. Longitudinal immune responses differ between 3xTg mice and 5xFAD mice. Both 3xTg and 5xFAD female mice show improved learning and cognition in the absence of a microbiome.

Abstract Parkinson’s disease (PD) is a movement disorder characterized by neuroinflammation, α-synuclein pathology, and neurodegeneration. Most cases of PD are non-hereditary, suggesting a strong role for environmental factors, and it has been speculated that disease may originate in peripheral tissues such as the gastrointestinal (GI) tract before affecting the brain. The gut microbiome is altered in PD and may impact motor and GI symptoms as indicated by animal studies, though mechanisms of gut-brain interactions remain incompletely defined. Intestinal bacteria ferment dietary fibers into short-chain fatty acids, with fecal levels of these molecules differing between PD and healthy controls and in mouse models. Among other effects, dietary microbial metabolites can modulate activation of microglia, brain-resident immune cells implicated in PD. We therefore investigated whether a fiber-rich diet influences microglial function in α-synuclein overexpressing (ASO) mice, a preclinical model with PD-like symptoms and pathology. Feeding a prebiotic high-fiber diet attenuates motor deficits and reduces α-synuclein aggregation in the substantia nigra of mice. Concomitantly, the gut microbiome of ASO mice adopts a profile correlated with health upon prebiotic treatment, which also reduces microglial activation. Single-cell RNA-seq analysis of microglia from the substantia nigra and striatum uncovers increased pro-inflammatory signaling and reduced homeostatic responses in ASO mice compared to wild-type counterparts on standard diets. However, prebiotic feeding reverses pathogenic microglial states in ASO mice and promotes expansion of protective disease-associated macrophage (DAM) subsets of microglia. Notably, depletion of microglia using a CSF1R inhibitor eliminates the beneficial effects of prebiotics by restoring motor deficits to ASO mice despite feeding a prebiotic diet. These studies uncover a novel microglia-dependent interaction between diet and motor symptoms in mice, findings that may have implications for neuroinflammation and PD.

A mosaic of cross-phyla chemical interactions occurs between all metazoans and their microbiomes. In humans, the gut harbors the heaviest microbial load, but many organs, particularly those with a mucosal surface, associate with highly adapted and evolved microbial consortia. The microbial residents within these organ systems are increasingly well characterized, yielding a good understanding of human microbiome composition, but we have yet to elucidate the full chemical impact the microbiome exerts on an animal and the breadth of the chemical diversity it contributes. A number of molecular families are known to be shaped by the microbiome including short-chain fatty acids, indoles, aromatic amino acid metabolites, complex polysaccharides, and host lipids; such as sphingolipids and bile acids. These metabolites profoundly affect host physiology and are being explored for their roles in both health and disease. Considering the diversity of the human microbiome, numbering over 40,000 operational taxonomic units, a plethora of molecular diversity remains to be discovered. Here, we use unique mass spectrometry informatics approaches and data mapping onto a murine 3D-model to provide an untargeted assessment of the chemical diversity between germ-free (GF) and colonized mice (specific-pathogen free, SPF), and report the finding of novel bile acids produced by the microbiome in both mice and humans that have evaded characterization despite 170 years of research on bile acid chemistry.