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本文由何琴編譯，董小橙、江舜堯編輯。 原創(chuàng)微文，歡迎轉發(fā)轉載。 導 讀 神經(jīng)、內分泌和免疫之間的通信線路將人腸道微生物群與宿主中樞神經(jīng)系統(tǒng)緊密連接起來，而腸道微生物代謝與心理健康之間的關系是微生物組研究中最有趣和最有爭議的話題之一。微生物群-腸-腦的雙向交流目前主要是在動物模型中進行研究，而人類的研究相對滯后。大規(guī)模宏基因組學研究可以促進轉化過程，但由于缺乏專門的參考數(shù)據(jù)庫和研究微生物神經(jīng)活性潛力的工具，它們的解釋受到阻礙。本文作者通過對獨立數(shù)據(jù)集的驗證，對大型微生物群體群組（Flemish Gut Flora Project，n = 1,054）進行了調查，研究了微生物組特征是如何與宿主生活質量及抑郁癥相關聯(lián)的。 論文ID 原名：The neuroactive potential of the human gut microbiota in quality of life and depression 譯名：人體腸道微生物群在生活質量和抑郁癥方面的神經(jīng)活性潛能 期刊：Nature Microbiology IF：14.174 發(fā)表時間：2019.02.04 通信作者：Sara Vieira-Silva，Jeroen Raes 通信作者單位：比利時魯汶大學醫(yī)學研究所微生物學和免疫學系，比利時魯汶VIB微生物中心。 實驗設計 實驗設計圖 實驗結果 一、佛蘭德人群中的生活質量（QoL） 使用目前使用最廣泛的QoL問卷——RAND-36健康相關生活質量調查18（補充表1），在FGFP數(shù)據(jù)集（n = 1,054）15中評估QoL。它涵蓋八個健康概念（四個心理和四個身體評分），分別為：RE,由情緒健康問題引起的角色限制；SF,社會功能；MH,心理健康；VT,活力；PF,身體機能；RP,身體健康造成的角色限制；BP,身體疼痛；和GH,一般健康感知。從中得出另外兩個總結分數(shù)：MCS,精神健康總評和PCS,軀體健康總評。每個評分范圍從0到100，更高的分數(shù)定義更有利的健康狀態(tài)。 FGFP的RAND分數(shù)分布符合人口規(guī)范。不考慮抗抑郁治療的因素，醫(yī)生報告為抑郁癥的個體（n = 121,11.5％）顯示出低于其他人的RAND評分。 二、生活質量隨微生物群組成的共變在獨立的群組中進行復制 作者首先探索腸道微生物群已確定的微生物組協(xié)變量（年齡、性別、體重指數(shù)（BMI）、糞便稠度、胃腸道疾?。┡cQoL的共變。干擾因子分析顯示微生物組協(xié)變量與QoL之間存在多種關聯(lián)，在患有胃腸道疾病的女性和參與者中大多數(shù)的RAND評分顯著降低。雖然發(fā)現(xiàn)年齡和BMI與身體健康評分呈負相關，但它們與精神健康的幾個RAND指標呈正相關。 接著，作者通過QoL（基于距離的冗余分析（dbRDA），屬級別Aitchison距離）確定整體微生物群組成的個體間變異的比例。所有RAND評分都解釋了FGFP微生物群組成的變異呈現(xiàn)顯著的比例（圖2a）。多變量方法顯示，有三個RAND評分（身體疼痛，身體機能和一般健康感知）為人體測量學和胃腸協(xié)變量之外的個體間微生物群變異提供了額外貢獻（圖2b）。除了與群落范圍內的變異相關外，QoL指標還與特定分類群的相對豐度相關。在剔除人體測量學和胃腸協(xié)變量后，作者發(fā)現(xiàn)10個屬的豐度與QoL顯著相關（圖2c）。 圖2 QoL變量對微生物組變異的生態(tài)系統(tǒng)和特定影響。a. FGFP協(xié)變量的綜合解釋力匯集在微生物組群落變異的預定義分類（逐步dbRDA對Aitchison距離; n = 1,054）。 人體測量學：年齡，性別，BMI；胃腸道參數(shù)：BSS和胃腸道疾?。灰钟舭Y：診斷抑郁癥和使用抗抑郁藥。 b.FGFP協(xié)變量對微生物群落變異的累積效應大小（左欄;逐步dbRDA對Aitchison距離;灰色，未進入dbRDA模型的變量; n = 1,054）與假設協(xié)變量獨立（右欄）的個體效應大小相比較。c.在FGFP隊列（n = 1,054）中剔除主要微生物群協(xié)變量（人體測量和胃腸道參數(shù)；GLMs，F(xiàn)DR <0.1）的影響后，QoL評分和抑郁與細菌屬之間的關聯(lián)。驗證LLD數(shù)據(jù)集中的QoL關聯(lián)（n = 1,063;刻度標記表示成功驗證）和非藥物治療的FGFP患者的抑郁癥關聯(lián)的驗證以及已發(fā)表的病例對照抑郁癥研究（文獻）。正相關（或非抑郁組中的分類群升高）以藍色顯示，負相關以紅色顯示。顏色強度與標準化GLMβ系數(shù)成比例。 三、抗抑郁藥物是變異交叉研究的重要來源 關于抑郁癥與微生物群多樣性之間的潛在關聯(lián)，在36個報告的屬抑郁癥的研究目錄中，當偏離協(xié)變量效應時，只有7個可以在FGFP數(shù)據(jù)集中復制。復制的抑郁癥相關類群中的特征是抑郁癥患者的乳酸桿菌相對豐度增加。然而，當控制抗抑郁治療時，這種關聯(lián)不再顯著，證實了抑郁癥與微生物群多樣性之間無任何顯著關聯(lián)，并且藥物治療在關聯(lián)研究中是一個重要的干擾因素。 作者觀察到桿菌屬（Dialister）和糞球菌屬（Coprococcus）與RAND評分和（無治療）抑郁狀態(tài)共變（圖2c），同至少一個重復的報告6-9中的結果一致。 四、FGFP中抑郁和低生活質量與擬桿菌腸型2有關 作者在FGFP數(shù)據(jù)集中評估了腸型分布與生活質量評分以及抑郁癥的關系（DMMs）。所有10個QoL評分在各腸型間分布不均勻（Kruskal-Wallis檢驗，F(xiàn)DR <0.1；圖3a），均反映出，與普雷沃菌屬（Prevotella）、擬桿菌（Bacteroides）腸型1和疣微菌科（Ruminococcaceae）相比（事后Dunn檢驗），最近描述的、具潛在生物異常的擬桿菌（Bacteroides）腸型2的QoL較低。在FGFP數(shù)據(jù)集中，腸型分布隨抑郁狀態(tài)的變化而變化（χ2檢驗，圖3b），其中抑郁癥對應于擬桿菌腸型2具較高患病率（26％對13％;成對χ2檢驗） 。這是對腸型和精神健康狀況之間聯(lián)系的第一次描述，雖然LLD數(shù)據(jù)集中缺乏統(tǒng)計學意義的DMM腸型聚類，阻礙了結果復制，但作者的結果與之前報道的假設一致，即擬桿菌腸型2（Bacteroidesenterotype 2）具有潛在的生物壞死性質。 圖3 在FGFP隊列中擬桿菌腸型2與較低的生活質量和抑郁狀態(tài)相關。a.四種DMM腸型中的平均QoL（RAND）評分（B1，擬桿菌腸型1; B2，擬桿菌腸型2; P，普氏菌; R，疣微菌科）。b.全科醫(yī)生報告的抑郁癥(n?=?151) 與對照組(n?=?933) 的FGFP個體中的腸型分布。在病例和對照組中，只有擬桿菌腸型2的分布不同。 五、腸- 腦模塊描述腸道微生物群的神經(jīng)活性潛力 作者開發(fā)了一個基于模塊的分析框架，能夠在微生物群- 腸- 腦通信的背景下對宏基因組數(shù)據(jù)進行有針對性的分析和解釋。該框架描述了微生物代謝分子的途徑，這些分子有可能與人類神經(jīng)系統(tǒng)相互作用（神經(jīng)活性化合物）。首先從文獻綜述中，整理并注釋了56個腸- 腦模塊（GBMs），每個模塊對應于一個神經(jīng)活性化合物的生成或降解過程。 然后利用從人胃腸道分離的微生物的基因組，對已收錄到綜合微生物基因組（IMG）數(shù)據(jù)庫（n = 532）中的基因組進行GBM檢測，來驗證該框架。分析后，作者構建了腸道微生物群神經(jīng)活性潛力的第一個目錄。分析結果中，有4 個GBM（例如，抗炎和鎮(zhèn)痛化合物S-腺苷甲硫氨酸的合成，或神經(jīng)毒素喹啉酸的降解）基本上普遍存在（存在于> 90％的腸道微生物基因組中），但有14個（流行率<5％的基因組;包括多巴胺，乙酰膽堿，犬尿氨酸，組胺和血清素II合成；圖4a）少見。在人類中，神經(jīng)遞質5-羥色胺在胃腸道中濃度最高，其參與胃腸分泌，運動和疼痛感知的調節(jié)。雖然植物樣GBM（5-羥色胺合成II）被鑒定為罕見，但動物樣GBM（5-羥色胺合成I）存在于幾乎20％的IMG腸相關基因組中（圖4a）。已經(jīng)在10種不同的腸相關屬的菌株中進行了實驗，觀察5-羥色胺的合成，由于代表性基因組有限，其中只有一半通過基于GBM的驗證。其他屬，如Akkermansia，Alistipes和Roseburia被確定為可能是使用動物樣GBM的5-羥色胺生產(chǎn)者。 通過比較腸道相關物種（n = 532）與自由生物物種（n = 1,501;分類如IMG 4.0版）在IMG基因組中的GBM流行率，識別宿主- 微生物相互作用可能涉及的特征。13個GBM在腸道相關微生物的基因組中更為普遍（χ2檢驗，F(xiàn)DR <0.1），25個在自由生物物種中過度表達（圖4b）。與宿主相關的前五種最強GBM中，兩種基本由結腸細菌編碼（> 80％;乙酸和谷氨酸合成I），在不到三分之一的腸道相關物種基因組中檢測到兩個（色氨酸降解和GABA合成III），同時顯示廣泛的系統(tǒng)發(fā)育范圍（圖4c）。已知GABA由腸道細菌大量產(chǎn)生，在細胞內pH穩(wěn)態(tài)和能量產(chǎn)生中發(fā)揮作用，尤其與胃酸過盛時細菌的存活有關，由結果可知目前已描述的三種GABA合成途徑在腸道微生物中均非常普遍。 圖4 GBM在微生物基因組中的分布a.左圖：人腸相關微生物基因組中的GBM檢測頻率（n = 532）。 稀有（存在于<5％的基因組中）和普遍存在的GBM（存在于> 90％的基因組中）被突出顯示,其他灰色的。右圖：編碼兩種或更多種稀有GBM的微生物菌株。括號中的數(shù)字對應于編碼相同GBM的菌株數(shù)（*，在物種水平未分類的基因組）。b.在腸道相關物種與自由生物物種中的GBM分布。 可能參與宿主- 微生物群相互作用的GBM（χ2檢驗中的FDR <0.1）是有色的（較大的點：與人類腸道相關的棲息地最顯著相關的前5個GBM），其他灰色。c. 宿主相關GBM在腸道參考基因組中的系統(tǒng)發(fā)育分布（16S rRNA基因系統(tǒng)發(fā)育樹）。 僅顯示效應大小> 0.1且存在于<90％的基因組中的GBM（n = 10）。F，Fusobacteria; S，Synergistetes; V / L，Verrucomicrobia / Lentisphaerae; E，Euryarchaeota; T，Tenericutes。 同心圓具有圖例的順序和顏色。 六、微生物群神經(jīng)活性潛力與生活質量和抑郁癥的關系 為了確定神經(jīng)活性化合物代謝是否與QoL和抑郁有關，作者將GBM框架應用于150個FGFP鳥槍宏基因組，包括80名被診斷為抑郁癥的患者（n = 40服用抗抑郁藥）和70名健康人作為對照。根據(jù)年齡，性別，BMI和BSS對兩組進行平衡。對已有文獻中涉及抑郁癥代謝物的GBMs子集進行了更有針對性的分析（n = 24）。與抑郁相關的GBM還在被診斷為重度抑郁癥患者（TR-MDD）的個體中得到驗證，其QoL信息未記錄在TR-MDD數(shù)據(jù)集中。 在FGFP數(shù)據(jù)集中，作者檢測到三個與各種心理QoL評分相關的GBM，即3,4-二羥基苯乙酸的合成（DOPAC，正相關） ，異戊酸合成電位II（通過α-酮酸脫羧酶途徑，正相關），與組胺合成潛力（負相關）。然而，在LLD數(shù)據(jù)集中，只有多巴胺代謝物多巴胺的合成與RAND社會功能評分之間的關聯(lián)得到了復制（GLM對中心對數(shù)比轉換數(shù)據(jù)，標準化β系數(shù)= 0.065，P = 4.25×10- 2；圖5a），雖然從多巴胺合成DOPAC的第一步（圖5b）是轉化為內源性神經(jīng)毒素3,4-二羥基苯乙醛，但DOPAC-模塊的最終產(chǎn)物對結腸癌細胞具有抗增殖活性。在FGFP數(shù)據(jù)集中，DOPAC的合成潛力與腸型分布相關聯(lián)（Kruskal-Wallis檢驗，χ2= 21.72，F(xiàn)DR = 1.49×10-4），同疣微菌科（Ruminococcaceae）相比較，在擬桿菌1型和2型以及普氏菌屬中分布較低。DOPAC合成潛力與糞球菌屬（Coprococcus）的相對豐度密切相關。 作者的參考基因組分析中沒有檢測到糞球菌屬（Coprococcus）的DOPAC合成，僅在GBM的第二步分析的糞球菌屬（Coprococcus）來源和Coprococcus catus的基因組中編碼了將3,4-二羥基苯乙醛轉化為DOPAC。作者發(fā)現(xiàn)糞球菌屬（Coprococcus）與精神和身體RAND分數(shù)正相關。雖然共變并不意味著糞球菌屬（Coprococcus）菌株實際上可以合成DOPAC，但這些結果表明除了丁酸鹽生產(chǎn)之外的其他機制可能是糞球菌屬（Coprococcus）與QoL有益聯(lián)系的原因。 圖5 DOPAC合成的GbM與精神生活質量的關系。a. FGFP數(shù)據(jù)集中多巴酚的合成與生活質量指標的關系；標記表示LLD數(shù)據(jù)集中的驗證成功，正相關用藍色表示，色彩強度與標準化的GLMβ系數(shù)成正比。b.酪氨酸通路中的GBMs。GBMs顯示為帶有ID號的框。DOPAC合成的GBM用藍色突出顯示，為了簡單起見，沒有神經(jīng)活動證據(jù)的代謝物用填充的灰色方塊表示。 在FGFP數(shù)據(jù)集中谷氨酸途徑中的兩個GBM，即谷氨酸降解I（對巴豆酰輔酶A和乙酸鹽）和GABA合成III（GABA分流途徑），在抑郁癥患者中分別趨于消耗和增加。通過TR-MDD數(shù)據(jù)集驗證了抑郁癥患者的谷氨酸降解潛力降低（r = 0.23，P = 3.98×10-2）。雖然需要進行隨訪病例對照研究（優(yōu)先結合神經(jīng)活性化合物實際水平的代謝組學評估）來研究微生物谷氨酸代謝是否會導致抑郁，但作者的分析提供了樣本大小的概念，以便檢測不同研究小組之間的GBM比例豐度的差異。例如，為了檢測谷氨酸降解I模塊中的波動（r = -0.17和sd = 0.49，F(xiàn)DR <0.1，II型錯誤率β= 0.2），將需要n = 2×262的最小估計樣本量49。雖然相當多，但在臨床微生物組研究的可行性范圍之內。 結 論 對大型糞便微生物組群體研究的分析以及若干公共和新測序數(shù)據(jù)集的驗證使作者建立了腸道微生物群組成與QoL指標以及抑郁狀態(tài)的顯著共變。該方法提供了一組嚴格的關聯(lián)，考慮到了微生物組數(shù)據(jù)的組成性和抗抑郁藥物的潛在干擾效應。雖然發(fā)現(xiàn)糞球菌屬（Coprococcus）和桿菌屬（Dialister）與QoL呈正相關，并在無治療的抑郁癥中消耗殆盡，但包括丁球菌（Butyricicoccus）在內的其他菌群被發(fā)現(xiàn)與抗抑郁藥物治療有關。在菌群群系方面，LLD驗證數(shù)據(jù)集中沒有針對腸分型的統(tǒng)計支持。通過引入基于模塊的分析框架，促進微生物群-腸道- 腦集中分析和宏基因組數(shù)據(jù)集的解釋，作者編目了結腸分離物的神經(jīng)活性潛力，識別無所不在的特征以及分布有限的途徑。發(fā)現(xiàn)，包括GABA和色氨酸代謝在內的幾種微生物途徑富含人腸道相關微生物，這表明它們在宿主- 微生物共生中具有潛在作用。此外，三個GBM與QoL相關，包括多巴胺代謝物DOPAC的合成。所提出的GBM框架是研究微生物群改變的有價值的工具，促進了在腸- 腦軸背景下的鳥槍宏基因組數(shù)據(jù)的分析。
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