科研 | 又胖又抑郁，不要怪自己，可能是基因问题（国人作品）
本文由国服王昭君编译，董小橙、江舜尧编辑。
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导 读
抑郁和肥胖在个体中常合并出现，这可能就解释了为什么二者具有相同的危险因素，其中包括肠道微生物的紊乱。然而，描述其因果关系的证据非常稀少。此文中，通过构建缺乏Fto基因的小鼠模型，将Fto-缺陷型和对照组野生型小鼠被置于有或没有慢性不可预知温和应激(CUMS)的新环境中6周。并在部分小鼠饮水中添加抗生素6周以消除微生物。通过行为学测试评估焦虑和抑郁样行为。采用16S rRNA扩增子和宏基因组测序分析粪便微生物组，同时比较血浆中炎性细胞因子和脂多糖（LPS）的水平。结果发现，Fto的缺失可以导致体重的降低，焦虑和抑郁样行为减少，同时Fto +/-小鼠也不易受压力的刺激。并且发现Fto缺乏小鼠具有抑制炎症的特定微生物结构特征，例如高丰度的乳杆菌，低丰度的紫单胞菌科和螺杆菌属。同时发现，Fto +/-小鼠的行为学改变是通过肠道微生物群的改变来介导的，因为使用抗生素可以部分减弱这种改变。此研究揭示了Fto基因在抑郁症中的作用，并为肥胖和抑郁之间的联系提供了微生物相关的生物学机制的见解。
论文ID
原名：Fto Deficiency Reduces Anxiety- and Depression-Like Behaviors in Mice via Alterations in Gut Microbiota
译名：Fto基因缺失小鼠可通过肠道微生物群的改变而减少焦虑和抑郁样行为
期刊：Theranostics
IF：8.537
发表时间：2019
通讯作者：Yongzhan Nie
作者单位：国家肿瘤生物学重点实验室，国家消化疾病临床研究中心，消化内科
试验设计
图1
实验时间表（11周）
0-1w：适应
1-7w：大约48只成年雄性小鼠接受各种处理：野生型（WT）和杂合（HZ）小鼠：未接受处理；WT + CUMS和HZ + CUMS组：接受CUMS持续6w；WT + CUMS +抗生素和HZ + CUMS +抗生素组：接受CUMS持续6w，期间进水中包含多种抗生素混合物。
7-8w：行为测试
8w：再次给与不同分组不同的方案
试验结果
1 Fto基因敲除小鼠表现出焦虑和抑郁样行为减少
Fto基因敲除后小鼠体重显著减轻（图S1 A-D）。高架十字迷宫试验中，Fto- 基因敲除小鼠在开臂上花费的时间多于对照组（t = -4.713，P <0.001），分析显示这不是由于自主活动而引发的改变（t = 1.442，P = 0.171））（图2A）。此外，Fto基因敲除小鼠在旷场试验中花费在中心区域的时间更长（t = -2.730，P = 0.016），这也不是由于自主活动而引发的改变（t = -0.832，P = 0.419 ）（图2B）。EPM和OFT中的运动轨迹如图S2A - B所示。结果还显示，Fto基因敲除小鼠在强迫游泳实验中漂浮时间比对照组减少（t= 3.921，P = 0.002）（图2 C）。然而，在悬尾试验中不动时间各组间无差异（t= -0.232，P = 0.820）（TST）（图2D），可能是由于Fto基因敲除小鼠在没有受到致命威胁的情况下运动能力较低所导致（例如FST）。在束缚试验2周后，在高架十字迷宫试验中，WT组小鼠在开放手臂上花费的时间较少（t = 3.431，P = 0.006），HZ组在开放臂上花费的时间大于WT组（t = -6.619，P）<0.001）（图2E）。在强迫游泳试验中，WT组小鼠不动时间较长（t = -3.083，P = 0.012），HZ组不动时间较WT组短（t = 2.818，P = 0.018）（图2F）。总的来说，Fto基因敲除与焦虑和抑郁样行为减少有关。
图2. Fto基因敲除小鼠表现出焦虑和抑郁样行为改变。WT：同窝对照(Fto+/+) HZ：杂合后代(Fto+/-) KO：纯合后代(Fto -/-)
2 Fto-基因敲除小鼠具有抑制炎症的特定肠道微生物群
为了评估Fto基因敲除是否能引起与肠道微生物改变相关的焦虑和抑郁样行为，我们使用16S rRNA测序分析了WT和KO组的粪便微生物群。PCA显示两组基因型的区别（图3A）。最值得注意的是，Fto基因敲除小鼠始终表现出高丰度的乳杆菌属，低丰度的紫单胞菌科和螺杆菌属（图3B，图S3 A-B）。乳杆菌属OUT与其他几乎所有的OUT均显示负相关，同时二组间具有不同的乳杆菌丰度（图3C）。为了确定乳杆菌水平是否与行为有关，我们进行了相关性分析，结果显示OTU3的丰度与开臂时间（r = 0.614，P = 0.011）和中心区域花费的时间呈正相关性（r = 0.741，P = 0.001），和强迫游泳试验中的不动时间呈负相关（R = -0.58，P = 0.018）（图3D）。
图3. Fto基因敲除小鼠具有抑制炎症的特定肠道微生物特征
3 乳杆菌属在降低焦虑抑郁样行为方面起着关键作用
为了进一步证实潜在的益生菌，我们使用宏基因组测序进行DNA分析，发现KO组和对照组比较，螺杆菌属中有4个种丰度较低，乳杆菌属中有11个种的丰度较高（图4A）。这些物种中有些已有报道可通过免疫系统提升神经系统稳态。为了确定数据与乳杆菌属物种水平变化之间的相关性，我们进行了基于置换检验的方差分析。我们观察到以下四种行为改变与一些乳杆菌菌种丰度相关：在开放臂花费的时间，中心区域时间，漂浮时间和不动时间（图4B）。我们还进行了宏基因组功能预测分析。我们的分析显示，KO组合WT组相比，涉及膜转运，能量代谢，氨基酸代谢，核酸代谢，碳水化合物代谢，脂质代谢，免疫功能，和其它次级代谢产物的生物合成之间有着显着差异（图4C）。
图4. 乳杆菌在改变行为方面起着关键作用
4 FTO基因缺乏引起的对焦虑抑郁的低敏感性与肠道微生物群紧密相关
为了确定Fto是否与对压力诱导的焦虑和抑郁样行为的抗性相关，对小鼠进行CUMS处理。因为Fto基因敲除小鼠太过瘦弱，他们无法承受压力的刺激。因此，选择Fto杂合（HZ）小鼠进行实验。
对WT和HZ小鼠进行CUMS处理6周，之后HZ小鼠表现出对应激的抗性增加，如三次行为学测试的结果所示（这些测试的结果不受自主活动改变的影响）。值得注意的是，在CUMS刺激后，WT小鼠在高架十字迷宫试验中在开放臂上花费的时间显著减少，在旷场试验时在中心区域花费的时间减少，并且在强迫游泳试验期间漂浮时间增加。然而，在HZ组观察到了这些行为学改变的减弱（图5 A-C），因此HZ小鼠对CUMS有更好的抵抗力。
为了确定肠道微生物的改变是否代表了观察到的表型间的因果关系，对经过CUMS的小鼠给与长期抗生素混合物处理，以确保WT和HZ小鼠表现出类似的肠道微生物群结构。有趣的是我们观察到，这种处理降低了两组间的差异（图5A-C）。两组在悬尾试验中的不动时间无差异（图5D）。
总之，这些结果表明，Fto基因缺乏所导致的对焦虑和抑郁的低敏感性，在很大程度上取决于肠道微生物群的结构。然而，这些结果必须被谨慎对待，因为HZ小鼠在抗生素处理后，也表现出对CUMS轻微的抗性倾向。这种差异可能是由于肠道微生物群的构成仅代表影响该表型的一个因素。
图5. Fto缺乏引起的焦虑和抑郁的低敏感性在很大程度上取决于肠道微生物群
5 炎症反应与行为学改变密切相关
我们研究了在WT和HZ小鼠经CUMS处理后的微生物分类的改变，并且Fto基因敲除在一定程度上校正了由CUMS诱导的肠道微生物群的生态失调（图S4A-C）。大量文献报道，肠道微生物可以调节中枢神经系统中组织驻留免疫细胞的成熟和功能，从而影响外周免疫细胞的活化和对神经炎症的反应的调节。为了明确微生物结构导致的行为改变是否是通过炎症状态的变化介导，我们研究了几种炎性细胞因子的血清表达水平。我们的研究结果表明，CUMS后（IL）-1β，IL-6，IL-17，IL-4，IL-10和IL-22的水平略有增加。然而，当用抗生素治疗小鼠时，IL-1β，IL-6，IL-4和IL-10的水平降低。值得注意的是，CUMS后IL-6的表达显著增加，IL-6的水平在HZ组比WT组低，与我们观察到的表型相对应，（P <0.05）（图6A）。尽管需要进行更深入的研究，但目前我们的研究结果表明，Fto缺陷小鼠对于应激导致的促炎细胞因子的增加具有较高的抗性，这可能与血清中较低的脂多糖（LPS）水平有关（图6B）。
图6. 炎症反应与行为改变密切相关
讨 论
越来越多的证据表明，抑郁症和肥胖是普遍存在的，并且它们之间存在紧密的联系。因此，更好地理解二者之间的相互作用机制至关重要。肥胖-抑郁症之间关联的机制是复杂的，在我们的研究中，我们证实了一种可以解释微生物群依赖性的神经行为的瘦动物模型。在Fto基因敲除的条件下，小鼠表现出减少的焦虑和抑郁样行为，并且Fto +/-小鼠也对压力刺激表现出较低的敏感性。我们还提出了，Fto缺乏的小鼠具有特定的可以抑制炎症反应的肠道微生物特征。当使用抗生素消除肠道菌群时，行为的差异就会减少。这些研究结果加深了瘦型肠道微生物群诱导神经行为改变的概念，并强调了Fto作为未来干预治疗靶点的临床效用。
我们的研究中，已经确定Fto缺乏是一种对环境和慢性压力的保护因子。有趣的是，之前的报道显示，急性应激后前脑兴奋性神经元中存在Fto的转录调节，然而，EPM和OFT中的焦虑样行为没有改变。重要的是，在EPM和OFT试验中，我们发现Fto基因敲除小鼠和HZ小鼠中观察到较少的焦虑样行为，说明该功能在前脑兴奋性神经元之外的潜在重要性。
肠道微生物组是涉及神经行为改变的重要环境因素，我们确定Fto-基因敲除小鼠具有特定的能够抑制炎症肠道微生物特征，其特征在于拥有较高的乳杆菌属丰度和较低的紫单胞菌科和螺杆菌属丰度。之前的研究已经证明，在紫单胞菌科中，存在某些菌种与脑部炎症相关，螺杆菌属中一些菌种可以诱发胃外组织低水平的炎症。此外，之前的研究报道MDD患者比对照组拥有更低的乳酸杆菌水平。最近的动物和临床研究已经证实，接受乳杆菌治疗，可以减少焦虑和抑郁样行为，并且这种疗效是通过抗菌活性，先天和适应性免疫调节，以及细菌素介导的。在本研究中，我们在Fto基因敲除小鼠中发现了一系列乳杆菌属的菌种富集，其中鼠乳杆菌和罗伊氏乳杆菌为优势菌种。罗伊氏乳杆菌可以分解代谢色氨酸以及吲哚衍生物（IALD），并且它已被证实可以激活AHR基因，通过诱导IL-22的产生从而促进神经系统的动态平衡。乳杆菌的有益作用在很大程度上取决于其对某些病原体存在抗菌活性，在Fto基因敲除小鼠中观察到减少的细菌中，也包括几种被证实可以诱导炎症的菌种。我们还证实了Fto基因缺乏可以预防由于应激导致的肠道菌群失调。虽然这方面还有异议，例如先前的研究报告，患有抑郁症的个体与健康对照组相比，有着不同微生物群落构成。乳杆菌治疗已被证明能增加对环境应力的抗性（例如：高脂饮食）。我们还观察到Fto基因缺乏部分纠正了菌群失调，这可能与乳酸杆菌增加有关。这些可以解释为什么Fto基因敲除的小鼠存在焦虑和抑郁样行为的减少。
虽然肠道菌群对身体和心理压力反应的机制可能很复杂，但它们大体与免疫系统的调节，宿主代谢和迷走神经刺激相关。越来越多的证据表明炎症与压力相关的情绪障碍之间存在双向关系。一些MDD患者表现出外周免疫系统的改变，例如细胞免疫功能受损和促炎细胞因子水平的升高。进一步研究表明，接受细胞因子治疗的患者往往会出现抑郁症状，表明免疫系统是这些相互作用的重要调节因子。在本文中，我们已经鉴定了一种途径，其中肠道细菌可以通过调节促炎和抗炎粘膜以及系统免疫应答来影响中枢神经系统的炎症程度。虽然肠道菌群失调可以导致肠道和大脑中促炎性细胞因子的增加，但益生菌表现出有效的抗炎特性，可以减少与焦虑和抑郁有关的行为。
应激损害肠屏障完整性，从而使细菌有机会经过肠粘膜移位并直接进入肠神经系统的免疫细胞和神经细胞。先前的报告显示，焦虑和抑郁障碍与肠道菌群失调有关，因为肠道上皮完整性分子被排放入血。LPS是另一个肠道微生物群与神经系统的联系纽带，Fto缺乏导致血清LPS降低，提示Fto缺乏可导致肠道微生物群和肠屏障功能改变。此外，由于LPS是诱导抑郁样行为的常见物质，因此Fto缺乏的小鼠LPS水平较低可能与观察到的表型相关。
Fto是一种2-氧戊二酸(2-OG)铁(II)依赖的去甲基酶。因此，它催化单链DNA中的3-甲基胸腺嘧啶的去甲基化，以及单链RNA中的3-甲基尿嘧啶(3meU)和6-甲基腺苷(6meA)。微生物组受遗传影响，8.8％的分类群表现出遗传力水平> 0.2。我们推测Fto可能参与宿主中的DNA和RNA甲基化的调节，可以认为是参与调节基因的转录后表达。Fto缺乏可能通过调节pH值，胆汁酸代谢和免疫应答来影响参与塑造肠道微环境的靶向分子。
本研究具有一些局限性。我们用抗生素处理不同基因型的小鼠，以证明肠道微生物群对表型的影响。这些结果证实了肠道菌群的重要作用；然而，我们不能完全否定行为学与肠道微生物群的长期调节之间的互补关联，因为抗生素治疗在一定程度上减少了WT和Fto缺陷小鼠中的焦虑和抑郁样行为。此外，我们不能完全排除Fto基因在其他组织中的影响，因为即使在抗生素治疗后，Fto基因缺乏对应激刺激也存在着轻微的低敏感性。
总之，本研究的结果表明，Fto基因缺乏减少了焦虑和抑郁样行为，其与抑制炎症的特定肠道菌群相关。虽然需要进一步的研究来验证肠道微生物群与行为表型之间的因果关系，但我们的研究结果表明，Fto与情感障碍的发生机制有关。这些发现有助于开发新型焦虑和抑郁治疗策略。
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