代謝組學(xué)文獻(xiàn)解讀：深度解碼蜜腸菌調(diào)節(jié)宿主行為和神經(jīng)功能

文章標(biāo)題：Distinct Roles of Honeybee Gut Bacteria on Host Metabolism and Neurological Processes

發(fā)表期刊：Microbiology Spectrum

影響因子：9.043

合作單位：中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)

百趣生物提供服務(wù)：神經(jīng)遞質(zhì)靶標(biāo)檢測(cè)

研究背景

蜜蜂擁有一個(gè)簡(jiǎn)單且具有宿主特異性的腸道菌群，該微生物群與宿主發(fā)生了特定的相互作用，有助于其宿主的代謝健康，而細(xì)菌共生體對(duì)宿主神經(jīng)功能的影響仍不清楚。本研究建立了具有不同腸道細(xì)菌的單菌定植蜜蜂，以闡明蜜蜂腸道成員對(duì)宿主代謝和神經(jīng)功能的不同作用。該研究結(jié)果證明了單個(gè)蜜蜂腸道物種是如何影響宿主行為的，突出了對(duì)蜜蜂神經(jīng)生物學(xué)和生理狀態(tài)重要的腸道-大腦連接。

研究結(jié)果

1、腸道細(xì)菌改變循環(huán)代謝譜

使用六種蜜蜂核心腸道細(xì)菌對(duì)新出現(xiàn)的蜜蜂進(jìn)行了定植（圖1A），然后對(duì)蜜蜂的血淋巴樣本進(jìn)行了準(zhǔn)靶向代謝組學(xué)分析。分析表明，組間血淋巴樣本的代謝特征顯著不同（圖1B）。進(jìn)行了加權(quán)相關(guān)網(wǎng)絡(luò)分析（WGCNA）發(fā)現(xiàn)，乳酸桿菌Firm4和Firm5均與富含氨基酸代謝的代謝產(chǎn)物的黑色M顯著相關(guān)（圖2A）。最相關(guān)的循環(huán)代謝產(chǎn)物是高香草酸（圖2B和C）。包括賴氨酸降解和嘧啶、色氨酸和嘌呤代謝在內(nèi)的途徑在F4和F5定殖蜜蜂的血淋巴和腸道中持續(xù)上調(diào)（圖2D）。表明不同的腸道成員調(diào)節(jié)特定的代謝途徑。
 

圖1. 不同蜜蜂腸道群體成員對(duì)血淋巴代謝組的影響

圖2. Firm4和Firm5乳桿菌改變的血淋巴代謝曲線

2.腸道細(xì)菌影響大腦中的基因表達(dá)

由于血淋巴代謝組僅在Gi、F4和F5定殖的蜜蜂中調(diào)節(jié)，用這三組進(jìn)行腦轉(zhuǎn)錄組分析。差異表達(dá)基因的富集分析表明，包括α-亞麻酸等在內(nèi)的5條代謝途徑，在F4和F5組的大腦中上調(diào)（圖3）。糖酵解/糖異生和胰高血糖素信號(hào)通路僅在定植有Gilliamella菌的蜜蜂中上調(diào)。涉及剪接體RNA加工的KEGG途徑在Gi和F4蜜蜂中上調(diào)。這些結(jié)果表明，在細(xì)菌定植組中，轉(zhuǎn)錄組程序發(fā)生了差異性改變。

進(jìn)行皮爾遜相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)在F4和F5組中，非索非那定、硫酸膽固醇酯和2-羥基-5-甲基苯乙酮與大腦中的上調(diào)基因呈顯著正相關(guān)，而高香草酸和γ-己內(nèi)酯與這些基因呈顯著負(fù)相關(guān)。表明大腦中上調(diào)的基因與不同腸道細(xì)菌改變的特定代謝物相關(guān)，表明循環(huán)代謝在宿主-細(xì)菌相互作用中的潛在作用。
 

圖3. 腸道微生物群影響蜜蜂大腦中的基因表達(dá)

3.腸道細(xì)菌影響大腦中基因的選擇性剪接

研究腸道細(xì)菌定植的蜜蜂大腦是否與MF蜜蜂的大腦表現(xiàn)出不同的AS事件，結(jié)果表明多個(gè)AS事件可能發(fā)生在單個(gè)基因中，腸道成員導(dǎo)致不同的事件。

從SPARK和SFARI基因數(shù)據(jù)集中檢測(cè)了表明MF和細(xì)菌定植的蜜蜂與ASD風(fēng)險(xiǎn)基因之間存在顯著差異的基因重疊。結(jié)果顯示MF蜜蜂中的2128個(gè)差異拼接基因中有59個(gè)與人類自閉癥相關(guān)（圖4A）。以上結(jié)果表明腸道微生物誘導(dǎo)差異基因表達(dá)譜并介導(dǎo)AS，從而在蜜蜂大腦中形成特定的基因亞型（圖4B）。蜜蜂社會(huì)行為所必需的和與人類自閉癥疾病相關(guān)的基因尤其受到Gilliamella菌的影響，證實(shí)了人類和蜜蜂社會(huì)反應(yīng)性相關(guān)基因的相似性。
 

圖4. 腸道微生物群影響蜜蜂大腦中高置信度ASD基因的選擇性剪接

4.腸道微生物群改變大腦神經(jīng)遞質(zhì)水平

差異剪接基因的富集分析表明，包括神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)素等多條代謝通路在Gi、F4和F5組的大腦中受到調(diào)節(jié)（圖5C）。測(cè)定了三種主要神經(jīng)遞質(zhì)GABA、5-HT和多巴胺的濃度，結(jié)果表明抑制性遞質(zhì)GABA的濃度在F4蜜蜂的大腦中顯著較高（圖5A）。而單定植Gi、F4和F5的蜜蜂的多巴胺和5-HT濃度顯著低于MF蜜蜂（圖5B和C）。
 

圖5. 腸道微生物群改變了大腦中神經(jīng)遞質(zhì)的濃度和蜜蜂的行為

5.腸道細(xì)菌影響蔗糖反應(yīng)性

喙伸展反應(yīng)（PER）是一種味覺(jué)相關(guān)行為，是蜜蜂嗅覺(jué)辨別和群體表現(xiàn)的基礎(chǔ)。測(cè)量MF蜜蜂、常規(guī)（CV）蜜蜂和單殖Gi、F4和F5蜜蜂的PER。與MF組相比，細(xì)菌定植蜜蜂的蔗糖敏感性顯著提高（圖5D）。與單殖蜂相比，CV蜂對(duì)低蔗糖濃度更敏感，這意味著腸道細(xì)菌對(duì)蜜蜂行為的綜合影響。這些結(jié)果表明，正常腸道微生物群或單核心腸道成員的定植可以影響大腦中的神經(jīng)遞質(zhì)水平，這可能與嗅覺(jué)敏感性的改變有關(guān)。

結(jié)論

本研究通過(guò)構(gòu)建不同腸道單菌定植的蜜蜂，發(fā)現(xiàn)Gilliamella菌與碳水化合物和脂質(zhì)代謝相關(guān)，兩個(gè)乳桿菌菌屬主要調(diào)節(jié)氨基酸代謝。通過(guò)大腦轉(zhuǎn)錄組分析，鎖定到神經(jīng)遞質(zhì)傳遞功能的變化，檢測(cè)神經(jīng)遞質(zhì)的濃度，驗(yàn)證了神經(jīng)功能的變化。最終結(jié)果表明，這三種腸道菌屬可影響宿主的認(rèn)知能力。本研究從循環(huán)代謝組到大腦中的轉(zhuǎn)錄和神經(jīng)化學(xué)變化解開(kāi)了不同菌株對(duì)宿主的貢獻(xiàn)，強(qiáng)調(diào)了腸道微生物群在蜜蜂行為中的重要作用，以及不同蜜蜂腸道成員對(duì)宿主生理的復(fù)雜相互作用。

百趣生物為本研究提供了神經(jīng)遞質(zhì)靶標(biāo)檢測(cè)分析服務(wù)，定性定量準(zhǔn)，構(gòu)建物質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)曲線，提供物質(zhì)的絕對(duì)含量；技術(shù)成熟穩(wěn)定、分辨率高、選擇性好；團(tuán)隊(duì)經(jīng)驗(yàn)豐富，有專業(yè)的研發(fā)和數(shù)據(jù)分析團(tuán)隊(duì)。有興趣采用定制靶標(biāo)進(jìn)行樣本檢測(cè)分析的老師，歡迎垂詢服務(wù)熱線：400-664-9912，也可在本文或微信公眾號(hào)后臺(tái)留言給我們。

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文/阿趣代謝組學(xué)