科研 | Sci. Adv.: 精神分裂症患者的肠道微生物组可调节小鼠的谷氨酸-谷氨酰胺-GABA循环和精神分裂症相关行为
编译：十三，编辑：小菌菌、江舜尧。
原创微文，欢迎转发转载。
精神分裂症（SCZ）是一种破坏性疾病，约影响全球总人口的0.5%-1%。以前，研究人员一直专注于分析人类基因组以确定SCZ的发病机理。对36,000名患者的全基因组关联（GWAS）分析确定了108个SCZ易感基因。但是，已识别的关联基因可能仅占4％。因此，我们还应设法确定非人类遗传因素在SCZ发病中的作用。胃肠道（GI）是一个复杂的生态系统，包含大量驻留微生物。最新证据表明，肠道菌群可以通过“菌群-肠脑”（MGB）轴调节大脑功能和行为。据报道肠道菌群与焦虑，记忆力，认知和运动活动的改变有关。我们最近的研究表明，使用无菌（GF）方法或抗生素调节肠道菌群可能会导致类似抑郁的行为。这些发现突显了肠道微生物群或MGB轴紊乱可能导致精神疾病发作的新可能性。
MGB轴和SCZ之间的关系尚未完全了解。研究表明，肠道微生物组与SCZ之间可能存在关联。流行病学研究表明，产前微生物感染导致患SCZ的风险增加了10到20倍。此外，SCZ经常合并以肠道微生物群落改变为特征的胃肠道疾病。在动物研究中，肠道菌群对于出生后神经，免疫和内分泌系统的发育和成熟至关重要，而这些行为和生理过程在SCZ患者中经常受到损害。这些研究表明，MGB轴的紊乱可能与SCZ的发展有关。
论文ID
原名：The gut microbiome from patients with schizophrenia modulates the glutamate-glutamine-GABA cycle and schizophrenia-relevant behaviors in mice
译名：精神分裂症患者的肠道微生物组可调节小鼠的谷氨酸-谷氨酰胺-GABA循环和精神分裂症相关行为
期刊：Science Advance
IF：11.511
发表时间：2019.06
通讯作者：郑鹏
通讯作者单位：重庆医科大学
实验设计
图1 实验流程图
结果
1 SCZ患者的样品内微生物多样性较低
我们在样品中获得了2,905,956个高质量读数，平均长度为439.18。这些reads以97％的序列相似性聚集成864个OTU。韦恩图显示，SCZ和HCs患者分别有56个和64个OTU（图S1A）。样本内系统发育多样性分析表明，与HCs相比，SCZ患者的微生物丰富度指数（Chao）和多样性指数（Shannon）均较低（图1A）。这些发现表明SCZ患者的微生物组成具有较低的样本内多样性特征。
2 SCZ患者表现出肠道菌群改变
为了确定SCZ患者的微生物组成是否与HC受试者的微生物组成显着不同，我们进行了多样性分析，发现两组之间的肠道微生物组成存在明显差异（图S1，图C，图F和图1B）。在门或纲级别，SCZ和HC受试者显示出分离趋势（图S1，G和H）。我们还进行了分析，以确定整体微生物表型是否受到潜在混杂变量的实质影响。患有SCZ或HCs的患者并未根据这些变量进行聚类，表明总体微生物表型受性别或药物的影响很小（图S2，A至C）。为了识别区分HC受试者与SCZ患者的肠道菌群，我们进行了LEfSe分析，确定了77个区分OTU（图1C和表S2A）。与HC受试者相比，SCZ患者中增加了23个OTU，主要属于Veillonellaceae（5），Prevotellaceae（4），Bacteroidaceae（3）和Coriobacteriaceae（2），其余54个OTU在SCZ患者中减少，属于Lachnospiraceae（16），Ruminococcaceae（12），Norank（5）和Enterobacteriaceae（4）。
为了确定与精神分裂症症状严重程度有关的OTU，我们进行了相关分析。Veillonellaceae OTU191与PANSS呈负相关，而Bacteroidaceae OTU172，Streptococcaceae OTU834和两个LachnospiraceaeOTU（477和629）与PANSS正相关。Ruminococcaceae也有两个与PANSS相关的OTU，一个负相关（OTU725），另一个正相关（OTU181）（图1D）。为了确定关键的区分性微生物，我们基于不同肠道微生物的相对丰度进行了逐步回归分析。分析表明，SCZ和HC受试者之间的最显着差异发生在细菌科：Aerococcaceae，Bifidobacteriaceae，
Brucellaceae，Pasteurellaceaeand Rikenellaceae。ROC曲线分析表明，这些微生物能够区分HC受试者的SCZ患者，曲线下面积（AUC）为0.769（图1E），表明SCZ的潜在诊断价值。
图2 SCZ患者的肠道微生物特性
4 SCZ患者的肠道微生物移植诱导GF受体小鼠的SCZ相关行为
为了确定SCZ相关的行为表型是否可能与肠道菌群紊乱有关，我们进行了粪便菌群移植（FMT）实验，并进行了行为学实验。在野外试验中，SCZ组受体小鼠表现出活动过度（图2A）和焦虑减轻（图2B）。在强迫游泳试验中，与HC组受体小鼠相比，SCZ组受体小鼠活动时间显着增多（图2C），表明抑郁症样行为行为减少。Y迷宫测试、社交性测试和社交新颖性偏好测试结果两组之间没有差异（图2D-2F）。与HC组受体小鼠相比，SCZ组受体小鼠对高分贝音（120 db）表现出夸张的惊吓反应（图2G），但两组之间的PPI无差异（图2H）。总的来说，这些行为测试表明，移植了SCZ菌群的小鼠表现出运动亢进，焦虑和抑郁样行为减少，并且惊吓反应增强，这表明SCZ菌群受体小鼠的微生物组成受到干扰与几种内表型特征有关。
图3 SCZ菌群受体小鼠和HC菌群受体小鼠的行为学比较
5 SCZ中肠道菌群氨基酸和脂质代谢紊乱微生物群受体小鼠
图4 宏基因组学确定SCZ菌群和HC菌群受体小鼠之间的KEGG差异途径
进一步进行了非靶向代谢组学研究，发现从SCZ微生物群受体小鼠获得的粪便，血清和海马样品的代谢组学谱与HC微生物群受体小鼠存在显着差异（图S5，A至G）。我们鉴定了两组之间差异表达的代谢产物（表S3，A至C）。测量了中枢神经系统和周围神经系统的谷氨酸-谷氨酰胺-GABA（γ-氨基丁酸）代谢的差异，我们发现与HC微生物群受体小鼠相比，SCZ微生物群受体小鼠血清中的谷氨酰胺升高，粪便和海马中的谷氨酸（谷氨酸）减少，海马中的GABA升高（图4，A至C和图S6）。两组之间的血清谷氨酸和GABA以及粪便GABA并无差异（图S7，A和B）。HC和SCZ受试者之间这三种代谢产物的显着差异仅出现在大脑皮层，而在小脑或纹状体中却没有（图S7，C至E），从而证实观察到的代谢紊乱仅限于谷氨酸含量高的大脑区域。功能聚类分析表明，这些差异表达的产物与氨基酸代谢密切相关，例如谷氨酸-谷氨酰胺-GABA循环（图4D和图S6），几种氨基酸的转运（图4D和图S6）和脂质代谢（图4D）。总体而言，SCZ微生物群受体小鼠谷氨酸-谷氨酰胺-GABA循环以及氨基酸代谢和转运发生了变化。改变的脂质主要是甘油磷脂，包括磷脂酰乙醇胺（PEs），磷酸丝氨酸（PSs），磷脂酰胆碱（PCs）或磷脂酰肌醇（PIs），这些物质在SCZ组受体小鼠的血清和海马中出现降低（图4D）。宏基因组学和代谢组学结果共同表明，肠道微生物组的改变可能通过MGB氨基酸和脂质代谢途径与SCZ病理生理学相关。
图5 粪便、血清和海马中代谢物的变化
讨论
肠道菌群可通过MGB轴影响大脑功能和行为，因此可能诱发各种神经精神疾病。在这里，我们发现SCZ患者相对于HC受试者的肠道菌群发生了显著的变化。我们确定了与SCZ严重性密切相关的独特细菌类群。此外，一个特定的微生物检测组能够区分HC受试者与SCZ患者，AUC为0.769。我们用人SCZ患者菌群移植诱导了GF小鼠出现SCZ相关的行为变化。与这些行为变化一致，接受SCZ患者肠道微生物的受体小鼠表现出氨基酸和脂质代谢（包括谷氨酸）紊乱，这与SCZ病理变化密切相关。我们的发现支持肠道微生物群改变可能通过调节MGB代谢途径而参与SCZ发病和/或病理变化。
我们提供了开创性的证据，即SCZ与肠微生物群组成的变化有关，这些变化既是SCZ特有的，又与症状的严重程度有关。此外，我们发现，由于人类SCZ粪便微生物群转移至小鼠而引起的肠道菌群变化，导致低谷氨酸和SCZ相关行为的产生，并伴有肠脑轴代谢的变化。我们的发现为通过MGB轴了解SCZ的机制提供了一个新颖的思路，并可能指导新的诊断和治疗策略。
你可能还喜欢