Cell Metabolism文獻解析：菌群-脯氨酸代謝調(diào)控抑郁癥
抑郁癥是一種常見的精神障礙疾病，影響人群超過3億，它是導(dǎo)致殘疾的主要原因之一。然而，抑郁癥相關(guān)機制尚不清楚。近年來，腸-腦軸被認為是抑郁癥的新靶點，但缺乏關(guān)于抑郁癥-腸道菌群的縱向研究。來自西班牙的José Manuel Fernández-Real和Rafael Maldonado團隊通過多隊列臨床樣本和多組學(xué)方法來揭示依賴于腸道菌群的脯氨酸代謝變化對抑郁癥的影響，并提示靶向菌群/膳食脯氨酸或可有效改善抑郁，相關(guān)研究成果發(fā)表于《Cell Metabolism》。
研究重點解析
1. 膳食和血漿脯氨酸與抑郁嚴重程度顯著正相關(guān)
2. 血漿脯氨酸水平取決于腸道菌群組成和功能
3. 補充脯氨酸加劇小鼠抑郁樣行為
4. 腦鐵沉積和rich-club網(wǎng)絡(luò)破壞與抑郁和脯氨酸有關(guān)
5. 糞菌移植促進小鼠抑郁并增加脯氨酸/GABA轉(zhuǎn)運蛋白基因水平
6. 敲低脯氨酸/GABA轉(zhuǎn)運蛋白基因可抵御果蠅抑郁狀態(tài)
7. 植物乳桿菌的單菌定植可改善果蠅抑郁狀態(tài)
宏基因組揭示抑郁評分相關(guān)特定菌群及功能
首先對縱向發(fā)現(xiàn)隊列（IRONMET，n=116）糞便樣本進行宏基因組分析，其中非抑郁癥（n=44)、輕度抑郁(n=47)和重度抑郁受試者(n=25)，結(jié)合抑郁篩查量表評分（PHQ-9）篩選菌群組成和功能與抑郁癥的關(guān)系。結(jié)果顯示，alpha多樣性指數(shù)或香農(nóng)指數(shù)在組間無顯著差異；然而，非抑郁個體的Fisher’ alpha多樣性指數(shù)高于抑郁個體，在輕度和重度抑郁癥之間無顯著差異。β多樣性的主成分分析(PCA)結(jié)果表明，非抑郁受試者和抑郁受試者之間菌群組成存在顯著差異。對于每個分類群經(jīng)年齡、性別、體重指數(shù)(BMI)、受教育年限以及抗抑郁藥和焦慮藥物校正后，篩選出30種與抑郁癥顯著相關(guān)的菌種。其中，PHQ-9評分與Parabacteroides spp.、Acidaminococcus spp.呈正相關(guān)，而與Bifidobacterium pseudolongum和毛螺菌科中產(chǎn)丁酸鹽的菌種呈負相關(guān)�？v向比較表明，較低水平的放線菌（雙歧桿菌屬和柯林斯菌）和毛螺菌以及較高水平的普雷沃氏菌和腸桿菌與1年后較高的PHQ-9評分有關(guān)。
在功能上，經(jīng)年齡、性別、BMI、教育年限、抗抑郁藥和抗焦慮藥校正后，與PHQ-9評分顯著相關(guān)的菌群功能涉及精氨酸、脯氨酸和組氨酸代謝通路且與PHQ-9評分呈負相關(guān)，此外，谷氨酸代謝、谷氨酸能突觸和GABA能突觸與PHQ-9評分顯著相關(guān)。一些具有強關(guān)聯(lián)的細菌也參與了TCA循環(huán)。溶質(zhì)載體家族6(SLC6)也與PHQ-9評分呈負相關(guān)。其中，SLC6主要編碼神經(jīng)遞質(zhì)（例如GABA、單胺、甘氨酸和脯氨酸）轉(zhuǎn)運蛋白，也編碼蛋白氨基酸、甜菜堿、牛磺酸和肌酸（圖1），與GABA能突觸變化一致。
圖1. 抑郁癥評分相關(guān)腸道菌群組成和功能變化
代謝組學(xué)揭示抑郁評分與組氨酸、精氨酸、脯氨酸降解通路有關(guān)
對血漿和糞便樣本進行代謝組學(xué)分析，基于機器學(xué)習(xí)變量選擇策略篩選出幾種與PHQ-9評分相關(guān)的代謝物，這些代謝物參與了TCA循環(huán)（琥珀酸和富馬酸）、組氨酸代謝（尿刊酸）以及脯氨酸和谷氨酸代謝，與之前研究結(jié)果一致。隨后，通過另一個獨立驗證隊列（IMAGEOMICS，n=919）血漿樣本進行驗證，該隊列也由非抑郁、輕度和重度抑郁受試者組成。其中兩個隊列一致發(fā)現(xiàn)血漿脯氨酸與抑郁評分的強正相關(guān)。將發(fā)現(xiàn)隊列（IRONMET）中與PHQ-9評分顯著相關(guān)的代謝物進行通路富集分析，結(jié)果表明，TCA循環(huán)、氧化磷酸化、谷氨酸代謝以及精氨酸、脯氨酸和組氨酸分解代謝相關(guān)的通路顯著富集，結(jié)果也強調(diào)了SLC和氨基酸轉(zhuǎn)運蛋白以及GABA合成/降解通路及其通過GABA分流與TCA循環(huán)的聯(lián)系，這些變化主要與哺乳動物大腦中的神經(jīng)傳遞有關(guān)。其中，圖2H總結(jié)了與抑郁癥相關(guān)的主要代謝物和菌群功能（圖2）。
圖2. 代謝組學(xué)揭示抑郁評分相關(guān)血漿和糞便代謝物
血漿脯氨酸水平取決于腸道菌群組成和功能
由于飲食對腸道菌群組成和代謝活動有很大影響，采用食物頻率問卷對常規(guī)營養(yǎng)素、維生素、礦物質(zhì)、氨基酸和脂肪酸與發(fā)現(xiàn)隊列（IRONMET）PHQ-9評分進行分析。結(jié)果顯示，脯氨酸是對抑郁癥影響最大的飲食因素。根據(jù)血漿脯氨酸和膳食脯氨酸水平將受試者分為4組：HPD-HPP（高膳食脯氨酸水平-高血漿脯氨酸水平），LPD-LPP（低膳食脯氨酸水平-低血液脯氨酸水平）、HPD-LPP、LPD-HPP。結(jié)果顯示，LPHQ-9評分從高到低依次為HPD-HPP、LPD-HPP、HPD-LPP、LPD-LPP。由于脯氨酸與抑郁癥的關(guān)聯(lián)最為一致，進一步分析了血漿脯氨酸與腸道菌群的關(guān)聯(lián)，結(jié)果表明，血漿脯氨酸水平與PHQ-9評分相關(guān)的菌群特征存在相關(guān)性。血漿脯氨酸與Parabacteroides和普雷沃氏菌屬呈正相關(guān)；與放線菌（包括雙歧桿菌）和毛螺菌科產(chǎn)SCFA菌呈負相關(guān)。與低血漿脯氨酸組（LPP）相比，高血漿脯氨酸組（HPP）Parabacteroides和Acidaminococcus的種水平較高，但雙歧桿菌屬和毛螺菌科水平較低，特別是Roseburia spp.。HPD-LPP組和HPD-HPP組具有不同的菌群組成，HPD-LPP組菌群組成與抑郁評分較低相關(guān)的菌群組成一致。功能上，HPD-LPP組在脯氨酸轉(zhuǎn)運和代謝上顯著富集，且與PHQ-9評分相關(guān)的菌群基因有關(guān)，這提示HPD-LPP組的腸道菌群增強脯氨酸的代謝和轉(zhuǎn)運，降低血液中脯氨酸水平，進而緩解抑郁。（圖3）。
圖3. 飲食和血漿脯氨酸與抑郁評分和腸道菌群有關(guān)
RNA測序揭示與高脯氨酸消耗有關(guān)的基因
由于膳食脯氨酸主要被小腸中的腸細胞代謝，對另一個獨立隊列（INTESTINE隊列，n=28）的空腸樣本進行RNA測序。差異基因表達分析結(jié)果表明，1,547個基因轉(zhuǎn)錄本與膳食脯氨酸有關(guān)。功能分析發(fā)現(xiàn)其參與GABA受體激活、突觸相互作用和軸突引導(dǎo)的通路，還參與細胞外基質(zhì)(ECM)、肌肉收縮、絲裂原活化蛋白激酶（MAPK）信號傳導(dǎo)和G蛋白偶聯(lián)受體（GPCR）信號傳導(dǎo)的通路（圖4）。
補充脯氨酸加劇小鼠抑郁樣行為
為了進一步研究膳食脯氨酸對抑郁癥的直接影響，采用小鼠模型進行驗證。給20只CD-1小鼠喂食標準飲食(SD)，其中補充脯氨酸(36g/L)或水（對照組）。在整個實驗過程中，小鼠長期暴露于不可預(yù)測的輕度壓力源（UCMS模型），在UCMS暴露6周后，實驗組之間的體重或飲用水無顯著差異。與補充水的對照小鼠相比，補充脯氨酸的小鼠血漿脯氨酸水平顯著升高。與只補充水且無壓力的對照小鼠相比，補充脯氨酸組在懸尾測試中不動時間更長，并蔗糖攝入量減少，這是抑郁癥的核心癥狀。此外，與對照組相比，UCMS+脯氨酸小鼠的血清脂多糖結(jié)合蛋白(LBP，細菌易位的標志物）水平更高，這表明菌群發(fā)生易位，并與人的結(jié)果一致（圖4）。
圖4. 膳食脯氨酸與空腸RNA有關(guān)
腦鐵沉積和全腦功能動力學(xué)揭示與抑郁癥和脯氨酸相關(guān)的rich-club網(wǎng)絡(luò)破壞
由于鐵在谷氨酸和GABA穩(wěn)態(tài)中起著至關(guān)重要的作用，使用磁共振成像(MRI)評估IRONMET隊列患者大腦中鐵沉積情況。腦區(qū)松弛測量參數(shù)（AAL Atlas）和PHQ-9評分之間的相關(guān)性分析表明，扣帶和額葉相關(guān)區(qū)域的低鐵沉積與抑郁癥呈正相關(guān)。對驗證隊列（IMAGEOMICS）一部分患者(n=591)進行靜息狀態(tài)功能磁共振成像（fMRI）研究，并采用機器學(xué)習(xí)算法識別預(yù)測PHQ-9評分節(jié)點，共篩選出72個與抑郁癥相關(guān)的節(jié)點，68個與血漿脯氨酸水平相關(guān)的節(jié)點，其中30個與PHQ-9評分相關(guān)，且這些區(qū)域大多屬于rich-club區(qū)域（一組高度節(jié)點，它們之間連接更緊密）（圖5）。
圖5. 腦鐵沉積和腦網(wǎng)絡(luò)與抑郁評分和血漿脯氨酸相關(guān)研究
糞菌移植驗證抑郁與脯氨酸和GABA轉(zhuǎn)運有關(guān)
將來自20名不同PHQ-9評分的患者供體糞菌移植（FMT）到20只抗生素處理的小鼠中，采用恐懼條件誘導(dǎo)冷凍測試（一種公認的對壓力不適應(yīng)反應(yīng)模型）評估受體小鼠是否出現(xiàn)情緒受損。結(jié)果表明，供體的PHQ-9評分與受體小鼠的冷凍時間顯著相關(guān)。供體PHQ-9評分與受體小鼠菌群特征存在相關(guān)，該特征與人類抑郁癥相關(guān)的特征一致，與Acidaminococcus和普雷沃氏菌屬呈正相關(guān)，與放線菌門（尤其是雙歧桿菌和柯林斯菌）和產(chǎn)SCFA的毛螺菌科呈負相關(guān)。
考慮到菌群對谷氨酸能和GABA能的影響，對受體小鼠的內(nèi)側(cè)前額葉皮層(mPFC)進行RNA測序，結(jié)果表明，在受體小鼠mPFC中確定了59個轉(zhuǎn)錄本與供體PHQ-9評分顯著相關(guān)；且44個轉(zhuǎn)錄本與受體小鼠冷凍時間相關(guān)，包括slc6a12、slc6a13和 slc6a20a。通路的過表征分析（ORA）表明，與供體PHQ-9評分負相關(guān)的50%轉(zhuǎn)錄本都聚集在一起，并與氧化磷酸化和神經(jīng)退行性疾病有關(guān)。且鑒定出與PHQ-9評分相關(guān)基因簇，包含編碼GABA轉(zhuǎn)運蛋白（slc6a12和slc6a13）和脯氨酸轉(zhuǎn)運蛋白（slc6a20）的基因轉(zhuǎn)錄本，與功能分析結(jié)果一致。這些結(jié)果與代謝組、宏基因組結(jié)果一致，再次強調(diào)了TCA循環(huán)與GABA、谷氨酸代謝、以及脯氨酸-谷氨酸-GABA-菌群相互作用的重要性（圖6）。
圖6. 糞菌移植后情緒受損表型與mPFC轉(zhuǎn)錄水平相應(yīng)改變
敲低脯氨酸/GABA轉(zhuǎn)運蛋白基因可抵御果蠅抑郁狀態(tài)
為了確定這些腦轉(zhuǎn)運蛋白在抑郁癥中的作用，連續(xù)5天（STAR方法）對黑腹果蠅進行12小時機械壓力重復(fù)刺激。結(jié)果顯示，與無壓力組相比，壓力組果蠅攀爬嘗試顯著減少，食欲降低，運動的總步行距離和速度降低，顯示自愿行為活動減少和整體缺乏動力，為抑郁常見癥狀。在果蠅神經(jīng)元細胞中，敲低脯氨酸轉(zhuǎn)運蛋白CG43066（slc6a20同源體）后，壓力組與無壓力組在攀爬試驗、運動能力等行為實驗中無明顯差異，即壓力組不再表現(xiàn)出明顯的抑郁樣行為。敲低果蠅神經(jīng)膠質(zhì)細胞GABA轉(zhuǎn)運蛋白Gat（Slc6a12和Slc6a13同源體），也一定程度上改善壓力組的抑郁行為，表明神經(jīng)膠質(zhì)細胞中Gat對抑郁樣狀態(tài)具有保護作用（圖7）。
植物乳桿菌（L. plantarum）單菌定植可改善果蠅抑郁狀態(tài)
雖然Acidaminococcus和雙歧桿菌在人類和糞菌移植實驗中與抑郁癥最一致，但這兩個都不是果蠅菌群成員。因此，選擇了2種先前報道的果蠅菌群物種，且與抑郁癥呈負相關(guān)的植物乳桿菌（高GABA生產(chǎn)者）和陰溝腸桿菌（低GABA生產(chǎn)者）分別進行單菌定植。結(jié)果表明，在無菌和陰溝腸桿菌單菌定植雄性果蠅中觀察到攀爬動機顯著降低，但在植物乳桿菌單菌定殖中無改變。在無菌和定植陰溝腸桿菌應(yīng)激的雌性果蠅中出現(xiàn)食欲不振，而定植植物乳桿菌后食欲不振則顯著改善。表明定植高GABA生產(chǎn)者植物乳桿菌對果蠅抑郁狀態(tài)具有保護作用（圖7）。
圖7. 敲低果蠅脯氨酸轉(zhuǎn)運蛋白和單菌定殖的保護作用
小結(jié)
本研究利用3個臨床隊列，結(jié)合代謝組、宏基因組、RNA測序等分析手段以及小鼠和果蠅模型，探究了腸道菌群、代謝物與抑郁癥的關(guān)系。揭示了依賴于腸道菌群的脯氨酸代謝變化對抑郁癥的影響，強調(diào)脯氨酸-谷氨酸-GABA-菌群互作在抑郁癥中的重要性，也提示靶向菌群或減少膳食脯氨酸或可有效改善抑郁。
參考文獻
Microbiota alterations in proline metabolism impact depression. Cell Metabolism. 2022.
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本研究通過多隊列的代謝組和宏基因組分析揭示依賴于腸道菌群的脯氨酸代謝變化對抑郁癥的影響。麥特繪譜擁有業(yè)內(nèi)強大的Q600全定量代謝組、Q300全定量代謝組、Q200宏代謝組以及菌群相關(guān)的16S rDNA測序和宏基因組等方法，可提供代謝組學(xué)一站式整體解決方案，獨家的檢測技術(shù)、全面的數(shù)據(jù)報告以及專業(yè)的售后探討，助力您的科研探索之路不斷創(chuàng)新和突破。詳情歡迎咨詢麥特繪譜熱線400-867-2686，獲取詳細資料！
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