科研 | Nature microbiology：γ-氨基丁酸对人类肠道细菌的调节作用
本文由李红霞编译，董小橙、江舜尧编辑。
原创微文，欢迎转发转载。
导 读
肠道微生物影响宿主许多重要的功能，如：免疫反应和神经系统。虽然，在培养微生物方面已经取得了实质性进展，但人体肠道中23%~65%的物种仍未培养。因此，理解微生物的生物学作用存在障碍。人工环境中缺少共培养菌产生的关键生长因子，可能是导致微生物无法培养的原因之一。在本研究中，我们用共培养法分离出KLE1738，并进行相关研究。
论文ID
原名：GABA-modulating bacteria of the human gut microbiota
译名：γ-氨基丁酸对人类肠道细菌的调节作用
期刊：Nature microbiology
IF：14.174
发表时间：2018年
通信作者：Philip Strandwitz；Kim Lewis
通信作者单位：波士顿东北大学
实验设计
1 菌株共培养
收集健康人体粪便，作为实验样品。将1g粪便悬浮在9ml 20%的无菌甘油中，匀浆，-80℃保存备用。对培养菌株进行测序，构建系统发育树。
2 测定γ-氨基丁酸为KLE1738生长时必须的生长因子
提取B. fragilis KLE1758的产物，采用高效液相及核磁共振对产物进行分析。采用不同化合物及不同培养基对KLE1738菌株的生长条件进行验证。
3 KLE1738基因测序与代谢分析
将KLE1738细胞接种FAAy平板上，厌氧培养48h，进行基因测序和物种注释。并用13C标志的γ-氨基丁酸对菌株代谢情况进行验证。
4 与γ-氨基丁酸相关的肠道微生物的分离
通过基因测序对产生及消耗γ-氨基丁酸相关的肠道微生物进行筛选，通过UniProt对其相关代谢途经分析。采用转录组学方法对人类粪便进行分析，探讨GABA代谢的三个主要基因的活性，即Gad，γ-氨基丁酸：α-酮戊二酸转氨酶和琥珀酸半醛脱氢酶。
5 Bacteroides的相对丰度水平与抑郁相关的脑信号呈负相关
23名19至65岁的抑郁症患者参加研究。对患者粪便进行测序。采用磁共振成像对患者脑部进行分析。建立脑反应信号与肠道菌的关系。
实验内容
在本研究中，我们用共培养法分离出KLE1738，该菌需要有Bacteroides Fragilis 的存在才能生长。生物测定法纯化Bacteroides Fragilis 的上清液，从其上清液中分离出GABA（γ-氨基丁酸），运用基因组学方法对KLE1738的代谢机制进行分析，结果显示，GABA（γ-氨基丁酸）为KLE1738生长时的生长因子。
图1 KLE1738的共培养分离
以KLE1738的生长为指标，分离出多种产生GABA的细菌。基于基因组的人体肠道微生物群代谢模型的预测，发现919种肠道微生物具有生产或消费GABA的能力。对正常人粪便标本进行转录组学分析，结果表明，Bacteroides、Parabacteroides、Escherichia均能积极表达GABA产生途径。
图2 GABA调节菌的体外鉴定及生物学信息
我们研究人类肠道中GABA的主要细菌生产者Bacteroides，也许与临床重度抑郁症（MDD）有关。为此，收集了23例MDD患者的粪便样本。用16SrRNA进行测序分析。采用磁共振成像对患者脑部进行分析。通过将16S核糖体RNA序列与功能磁共振成像结合，发现与GABA介导的抑郁症患者粪便Bacteroides的相对丰度水平与抑郁相关的脑信号呈负相关。
图3 粪便Bacteroides的相对丰度与MDD患者左DLPFC和DMN结构功能连接性的负相关
讨 论
空肠弯曲杆菌是一种非常常见的可引起细菌性腹泻的食源致病菌。前期的微生物和细胞实验表明，宿主对于空肠弯曲杆菌的抗性或易感性很难以参透。本文报道了常规的小鼠肠道菌群可缓解无菌小鼠体内空肠弯曲杆菌所引起的肠道炎症，且这种作用与病原菌在肠道内的定植作用无关。分子和细胞实验表明，肠道微生物可抑制空肠弯曲杆菌引起的mTOR信号通路激活、炎症因子表达、中性粒细胞浸润以及空肠弯曲杆菌向结肠组织的转移。微生物培养和移植实验表明，肠道微生物中的厌氧菌对空肠弯曲杆菌引起的结肠炎具有保护作用，其代谢产物DCA是宿主产生抵抗的重要原因。给无菌鼠直接补充DCA可预防和治疗空肠弯曲杆菌引起的结肠炎，同样，靶向清除次级胆汁酸生成菌后，可加重空肠弯曲杆菌病。这些研究均表明，肠道微生物的代谢产物DCA可通过抑制mTOR信号通路，对空肠弯曲杆菌病产生有益影响，但并不影响空肠弯曲杆菌的定植。
本文发现肠道微生物对空肠弯曲杆菌感染的保护作用，与该菌在肠道内的定植无关。肠道微生物能够阻止空肠弯曲杆菌向肠黏膜组织和肠系膜淋巴结入侵，但这一过程未伴随着弯曲杆菌水平的降低。这一结果与艰难梭菌（C. difficile）、柠檬酸杆菌（Citrobacter rodentium）和鼠伤寒沙门氏菌（Salmonella typhimurium）的感染机制不同。这些菌存在定植抵抗，肠道微生物可抑制这三种病原菌生长，降低其在肠腔内的数量。
本文的研究成果对于肠道微生物如何控制宿主对病原菌的易感性，以及如何通过靶向微生物代谢物疗法治疗疾病均具有重要的意义。
结 论
γ-氨基丁酸为KLE1738生长的必须生长因子，只有在体外环境与KLE1758共培养时，才能生长。
Bacteroides与抑郁症患者的脑信号呈负相关。
评 论
本文采用基因组学法、转录组学、HPLC、GC-MS、GC-MS-MS、MRI等前沿技术手段，对前人无法培养的KLE1738菌进行共培养，揭示γ-氨基丁酸为其必须生长因子。并对产γ-氨基丁酸相关肠道菌群进行研究，探索肠道菌群与疾病的关系。
你可能还喜欢