本文由何琴編譯，董小橙、江舜堯編輯。

原創(chuàng)微文，歡迎轉(zhuǎn)發(fā)轉(zhuǎn)載。

原名：The neuroactive potential of the human gut microbiota in quality of life and depression 

譯名：人體腸道微生物群在生活質(zhì)量和抑郁癥方面的神經(jīng)活性潛能

期刊：Nature Microbiology

IF：14.174

發(fā)表時(shí)間：2019.02.04

通信作者：Sara Vieira-Silva，Jeroen Raes

通信作者單位：比利時(shí)魯汶大學(xué)醫(yī)學(xué)研究所微生物學(xué)和免疫學(xué)系，比利時(shí)魯汶VIB微生物中心。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)圖

一、佛蘭德人群中的生活質(zhì)量（QoL）

使用目前使用最廣泛的QoL問(wèn)卷——RAND-36健康相關(guān)生活質(zhì)量調(diào)查¹⁸（補(bǔ)充表1），在FGFP數(shù)據(jù)集（n = 1,054）¹⁵中評(píng)估QoL。它涵蓋八個(gè)健康概念（四個(gè)心理和四個(gè)身體評(píng)分），分別為：RE,由情緒健康問(wèn)題引起的角色限制；SF,社會(huì)功能；MH,心理健康；VT,活力；PF,身體機(jī)能；RP,身體健康造成的角色限制；BP,身體疼痛；和GH,一般健康感知。從中得出另外兩個(gè)總結(jié)分?jǐn)?shù)：MCS,精神健康總評(píng)和PCS,軀體健康總評(píng)。每個(gè)評(píng)分范圍從0到100，更高的分?jǐn)?shù)定義更有利的健康狀態(tài)。

FGFP的RAND分?jǐn)?shù)分布符合人口規(guī)范。不考慮抗抑郁治療的因素，醫(yī)生報(bào)告為抑郁癥的個(gè)體（n = 121,11.5％）顯示出低于其他人的RAND評(píng)分。

二、生活質(zhì)量隨微生物群組成的共變?cè)讵?dú)立的群組中進(jìn)行復(fù)制

作者首先探索腸道微生物群已確定的微生物組協(xié)變量（年齡、性別、體重指數(shù)（BMI）、糞便稠度、胃腸道疾?。┡cQoL的共變。干擾因子分析顯示微生物組協(xié)變量與QoL之間存在多種關(guān)聯(lián)，在患有胃腸道疾病的女性和參與者中大多數(shù)的RAND評(píng)分顯著降低。雖然發(fā)現(xiàn)年齡和BMI與身體健康評(píng)分呈負(fù)相關(guān)，但它們與精神健康的幾個(gè)RAND指標(biāo)呈正相關(guān)。

接著，作者通過(guò)QoL（基于距離的冗余分析（dbRDA），屬級(jí)別Aitchison距離）確定整體微生物群組成的個(gè)體間變異的比例。所有RAND評(píng)分都解釋了FGFP微生物群組成的變異呈現(xiàn)顯著的比例（圖2a）。多變量方法顯示，有三個(gè)RAND評(píng)分（身體疼痛，身體機(jī)能和一般健康感知）為人體測(cè)量學(xué)和胃腸協(xié)變量之外的個(gè)體間微生物群變異提供了額外貢獻(xiàn)（圖2b）。除了與群落范圍內(nèi)的變異相關(guān)外，QoL指標(biāo)還與特定分類群的相對(duì)豐度相關(guān)。在剔除人體測(cè)量學(xué)和胃腸協(xié)變量后，作者發(fā)現(xiàn)10個(gè)屬的豐度與QoL顯著相關(guān)（圖2c）。

圖2 QoL變量對(duì)微生物組變異的生態(tài)系統(tǒng)和特定影響。a.  FGFP協(xié)變量的綜合解釋力匯集在微生物組群落變異的預(yù)定義分類（逐步dbRDA對(duì)Aitchison距離; n = 1,054）。 人體測(cè)量學(xué)：年齡，性別，BMI；胃腸道參數(shù)：BSS和胃腸道疾??；抑郁癥：診斷抑郁癥和使用抗抑郁藥。 b.FGFP協(xié)變量對(duì)微生物群落變異的累積效應(yīng)大?。ㄗ髾?逐步dbRDA對(duì)Aitchison距離;灰色，未進(jìn)入dbRDA模型的變量; n = 1,054）與假設(shè)協(xié)變量獨(dú)立（右欄）的個(gè)體效應(yīng)大小相比較。c.在FGFP隊(duì)列（n = 1,054）中剔除主要微生物群協(xié)變量（人體測(cè)量和胃腸道參數(shù)；GLMs，F(xiàn)DR <0.1）的影響后，QoL評(píng)分和抑郁與細(xì)菌屬之間的關(guān)聯(lián)。驗(yàn)證LLD數(shù)據(jù)集中的QoL關(guān)聯(lián)（n = 1,063;刻度標(biāo)記表示成功驗(yàn)證）和非藥物治療的FGFP患者的抑郁癥關(guān)聯(lián)的驗(yàn)證以及已發(fā)表的病例對(duì)照抑郁癥研究（文獻(xiàn)）。正相關(guān)（或非抑郁組中的分類群升高）以藍(lán)色顯示，負(fù)相關(guān)以紅色顯示。顏色強(qiáng)度與標(biāo)準(zhǔn)化GLMβ系數(shù)成比例。 

三、抗抑郁藥物是變異交叉研究的重要來(lái)源

關(guān)于抑郁癥與微生物群多樣性之間的潛在關(guān)聯(lián)，在36個(gè)報(bào)告的屬抑郁癥的研究目錄中，當(dāng)偏離協(xié)變量效應(yīng)時(shí)，只有7個(gè)可以在FGFP數(shù)據(jù)集中復(fù)制。復(fù)制的抑郁癥相關(guān)類群中的特征是抑郁癥患者的乳酸桿菌相對(duì)豐度增加。然而，當(dāng)控制抗抑郁治療時(shí)，這種關(guān)聯(lián)不再顯著，證實(shí)了抑郁癥與微生物群多樣性之間無(wú)任何顯著關(guān)聯(lián)，并且藥物治療在關(guān)聯(lián)研究中是一個(gè)重要的干擾因素。 作者觀察到桿菌屬（Dialister）和糞球菌屬（Coprococcus）與RAND評(píng)分和（無(wú)治療）抑郁狀態(tài)共變（圖2c），同至少一個(gè)重復(fù)的報(bào)告^6-9中的結(jié)果一致。

四、FGFP中抑郁和低生活質(zhì)量與擬桿菌腸型2有關(guān)

作者在FGFP數(shù)據(jù)集中評(píng)估了腸型分布與生活質(zhì)量評(píng)分以及抑郁癥的關(guān)系（DMMs）。所有10個(gè)QoL評(píng)分在各腸型間分布不均勻（Kruskal-Wallis檢驗(yàn)，F(xiàn)DR <0.1；圖3a），均反映出，與普雷沃菌屬（Prevotella）、擬桿菌（Bacteroides）腸型1和疣微菌科（Ruminococcaceae）相比（事后Dunn檢驗(yàn)），最近描述的、具潛在生物異常的擬桿菌（Bacteroides）腸型2的QoL較低。在FGFP數(shù)據(jù)集中，腸型分布隨抑郁狀態(tài)的變化而變化（χ2檢驗(yàn)，圖3b），其中抑郁癥對(duì)應(yīng)于擬桿菌腸型2具較高患病率（26％對(duì)13％;成對(duì)χ2檢驗(yàn)） 。這是對(duì)腸型和精神健康狀況之間聯(lián)系的第一次描述，雖然LLD數(shù)據(jù)集中缺乏統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的DMM腸型聚類，阻礙了結(jié)果復(fù)制，但作者的結(jié)果與之前報(bào)道的假設(shè)一致，即擬桿菌腸型2（Bacteroidesenterotype 2）具有潛在的生物壞死性質(zhì)。

圖3 在FGFP隊(duì)列中擬桿菌腸型2與較低的生活質(zhì)量和抑郁狀態(tài)相關(guān)。a.四種DMM腸型中的平均QoL（RAND）評(píng)分（B1，擬桿菌腸型1; B2，擬桿菌腸型2; P，普氏菌; R，疣微菌科）。b.全科醫(yī)生報(bào)告的抑郁癥(n?=?151) 與對(duì)照組(n?=?933) 的FGFP個(gè)體中的腸型分布。在病例和對(duì)照組中，只有擬桿菌腸型2的分布不同。

五、腸- 腦模塊描述腸道微生物群的神經(jīng)活性潛力

作者開發(fā)了一個(gè)基于模塊的分析框架，能夠在微生物群- 腸- 腦通信的背景下對(duì)宏基因組數(shù)據(jù)進(jìn)行有針對(duì)性的分析和解釋。該框架描述了微生物代謝分子的途徑，這些分子有可能與人類神經(jīng)系統(tǒng)相互作用（神經(jīng)活性化合物）。首先從文獻(xiàn)綜述中，整理并注釋了56個(gè)腸- 腦模塊（GBMs），每個(gè)模塊對(duì)應(yīng)于一個(gè)神經(jīng)活性化合物的生成或降解過(guò)程。

然后利用從人胃腸道分離的微生物的基因組，對(duì)已收錄到綜合微生物基因組（IMG）數(shù)據(jù)庫(kù)（n = 532）中的基因組進(jìn)行GBM檢測(cè)，來(lái)驗(yàn)證該框架。分析后，作者構(gòu)建了腸道微生物群神經(jīng)活性潛力的第一個(gè)目錄。分析結(jié)果中，有4 個(gè)GBM（例如，抗炎和鎮(zhèn)痛化合物S-腺苷甲硫氨酸的合成，或神經(jīng)毒素喹啉酸的降解）基本上普遍存在（存在于> 90％的腸道微生物基因組中），但有14個(gè)（流行率<5％的基因組;包括多巴胺，乙酰膽堿，犬尿氨酸，組胺和血清素II合成；圖4a）少見。在人類中，神經(jīng)遞質(zhì)5-羥色胺在胃腸道中濃度最高，其參與胃腸分泌，運(yùn)動(dòng)和疼痛感知的調(diào)節(jié)。雖然植物樣GBM（5-羥色胺合成II）被鑒定為罕見，但動(dòng)物樣GBM（5-羥色胺合成I）存在于幾乎20％的IMG腸相關(guān)基因組中（圖4a）。已經(jīng)在10種不同的腸相關(guān)屬的菌株中進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，觀察5-羥色胺的合成，由于代表性基因組有限，其中只有一半通過(guò)基于GBM的驗(yàn)證。其他屬，如Akkermansia，Alistipes和Roseburia被確定為可能是使用動(dòng)物樣GBM的5-羥色胺生產(chǎn)者。

通過(guò)比較腸道相關(guān)物種（n = 532）與自由生物物種（n = 1,501;分類如IMG 4.0版）在IMG基因組中的GBM流行率，識(shí)別宿主- 微生物相互作用可能涉及的特征。13個(gè)GBM在腸道相關(guān)微生物的基因組中更為普遍（χ2檢驗(yàn)，F(xiàn)DR <0.1），25個(gè)在自由生物物種中過(guò)度表達(dá)（圖4b）。與宿主相關(guān)的前五種最強(qiáng)GBM中，兩種基本由結(jié)腸細(xì)菌編碼（> 80％;乙酸和谷氨酸合成I），在不到三分之一的腸道相關(guān)物種基因組中檢測(cè)到兩個(gè)（色氨酸降解和GABA合成III），同時(shí)顯示廣泛的系統(tǒng)發(fā)育范圍（圖4c）。已知GABA由腸道細(xì)菌大量產(chǎn)生，在細(xì)胞內(nèi)pH穩(wěn)態(tài)和能量產(chǎn)生中發(fā)揮作用，尤其與胃酸過(guò)盛時(shí)細(xì)菌的存活有關(guān)，由結(jié)果可知目前已描述的三種GABA合成途徑在腸道微生物中均非常普遍。

圖4 GBM在微生物基因組中的分布a.左圖：人腸相關(guān)微生物基因組中的GBM檢測(cè)頻率（n = 532）。 稀有（存在于<5％的基因組中）和普遍存在的GBM（存在于> 90％的基因組中）被突出顯示,其他灰色的。右圖：編碼兩種或更多種稀有GBM的微生物菌株。括號(hào)中的數(shù)字對(duì)應(yīng)于編碼相同GBM的菌株數(shù)（*，在物種水平未分類的基因組）。b.在腸道相關(guān)物種與自由生物物種中的GBM分布。 可能參與宿主- 微生物群相互作用的GBM（χ²檢驗(yàn)中的FDR <0.1）是有色的（較大的點(diǎn)：與人類腸道相關(guān)的棲息地最顯著相關(guān)的前5個(gè)GBM），其他灰色。c. 宿主相關(guān)GBM在腸道參考基因組中的系統(tǒng)發(fā)育分布（16S rRNA基因系統(tǒng)發(fā)育樹）。 僅顯示效應(yīng)大小> 0.1且存在于<90％的基因組中的GBM（n = 10）。F，Fusobacteria; S，Synergistetes; V / L，Verrucomicrobia / Lentisphaerae; E，Euryarchaeota; T，Tenericutes。 同心圓具有圖例的順序和顏色。

六、微生物群神經(jīng)活性潛力與生活質(zhì)量和抑郁癥的關(guān)系

為了確定神經(jīng)活性化合物代謝是否與QoL和抑郁有關(guān)，作者將GBM框架應(yīng)用于150個(gè)FGFP鳥槍宏基因組，包括80名被診斷為抑郁癥的患者（n = 40服用抗抑郁藥）和70名健康人作為對(duì)照。根據(jù)年齡，性別，BMI和BSS對(duì)兩組進(jìn)行平衡。對(duì)已有文獻(xiàn)中涉及抑郁癥代謝物的GBMs子集進(jìn)行了更有針對(duì)性的分析（n = 24）。與抑郁相關(guān)的GBM還在被診斷為重度抑郁癥患者（TR-MDD）的個(gè)體中得到驗(yàn)證，其QoL信息未記錄在TR-MDD數(shù)據(jù)集中。

在FGFP數(shù)據(jù)集中，作者檢測(cè)到三個(gè)與各種心理QoL評(píng)分相關(guān)的GBM，即3,4-二羥基苯乙酸的合成（DOPAC，正相關(guān)） ，異戊酸合成電位II（通過(guò)α-酮酸脫羧酶途徑，正相關(guān)），與組胺合成潛力（負(fù)相關(guān)）。然而，在LLD數(shù)據(jù)集中，只有多巴胺代謝物多巴胺的合成與RAND社會(huì)功能評(píng)分之間的關(guān)聯(lián)得到了復(fù)制（GLM對(duì)中心對(duì)數(shù)比轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，標(biāo)準(zhǔn)化β系數(shù)= 0.065，P = 4.25×10- 2；圖5a），雖然從多巴胺合成DOPAC的第一步（圖5b）是轉(zhuǎn)化為內(nèi)源性神經(jīng)毒素3,4-二羥基苯乙醛，但DOPAC-模塊的最終產(chǎn)物對(duì)結(jié)腸癌細(xì)胞具有抗增殖活性。在FGFP數(shù)據(jù)集中，DOPAC的合成潛力與腸型分布相關(guān)聯(lián)（Kruskal-Wallis檢驗(yàn)，χ2= 21.72，F(xiàn)DR = 1.49×10-4），同疣微菌科（Ruminococcaceae）相比較，在擬桿菌1型和2型以及普氏菌屬中分布較低。DOPAC合成潛力與糞球菌屬（Coprococcus）的相對(duì)豐度密切相關(guān)。 作者的參考基因組分析中沒(méi)有檢測(cè)到糞球菌屬（Coprococcus）的DOPAC合成，僅在GBM的第二步分析的糞球菌屬（Coprococcus）來(lái)源和Coprococcus catus的基因組中編碼了將3,4-二羥基苯乙醛轉(zhuǎn)化為DOPAC。作者發(fā)現(xiàn)糞球菌屬（Coprococcus）與精神和身體RAND分?jǐn)?shù)正相關(guān)。雖然共變并不意味著糞球菌屬（Coprococcus）菌株實(shí)際上可以合成DOPAC，但這些結(jié)果表明除了丁酸鹽生產(chǎn)之外的其他機(jī)制可能是糞球菌屬（Coprococcus）與QoL有益聯(lián)系的原因。

圖5 DOPAC合成的GbM與精神生活質(zhì)量的關(guān)系。a.  FGFP數(shù)據(jù)集中多巴酚的合成與生活質(zhì)量指標(biāo)的關(guān)系；標(biāo)記表示LLD數(shù)據(jù)集中的驗(yàn)證成功，正相關(guān)用藍(lán)色表示，色彩強(qiáng)度與標(biāo)準(zhǔn)化的GLMβ系數(shù)成正比。b.酪氨酸通路中的GBMs。GBMs顯示為帶有ID號(hào)的框。DOPAC合成的GBM用藍(lán)色突出顯示，為了簡(jiǎn)單起見，沒(méi)有神經(jīng)活動(dòng)證據(jù)的代謝物用填充的灰色方塊表示。

在FGFP數(shù)據(jù)集中谷氨酸途徑中的兩個(gè)GBM，即谷氨酸降解I（對(duì)巴豆酰輔酶A和乙酸鹽）和GABA合成III（GABA分流途徑），在抑郁癥患者中分別趨于消耗和增加。通過(guò)TR-MDD數(shù)據(jù)集驗(yàn)證了抑郁癥患者的谷氨酸降解潛力降低（r = 0.23，P = 3.98×10-2）。雖然需要進(jìn)行隨訪病例對(duì)照研究（優(yōu)先結(jié)合神經(jīng)活性化合物實(shí)際水平的代謝組學(xué)評(píng)估）來(lái)研究微生物谷氨酸代謝是否會(huì)導(dǎo)致抑郁，但作者的分析提供了樣本大小的概念，以便檢測(cè)不同研究小組之間的GBM比例豐度的差異。例如，為了檢測(cè)谷氨酸降解I模塊中的波動(dòng)（r = -0.17和sd = 0.49，F(xiàn)DR <0.1，II型錯(cuò)誤率β= 0.2），將需要n = 2×262的最小估計(jì)樣本量⁴⁹。雖然相當(dāng)多，但在臨床微生物組研究的可行性范圍之內(nèi)。

對(duì)大型糞便微生物組群體研究的分析以及若干公共和新測(cè)序數(shù)據(jù)集的驗(yàn)證使作者建立了腸道微生物群組成與QoL指標(biāo)以及抑郁狀態(tài)的顯著共變。該方法提供了一組嚴(yán)格的關(guān)聯(lián)，考慮到了微生物組數(shù)據(jù)的組成性和抗抑郁藥物的潛在干擾效應(yīng)。雖然發(fā)現(xiàn)糞球菌屬（Coprococcus）和桿菌屬（Dialister）與QoL呈正相關(guān)，并在無(wú)治療的抑郁癥中消耗殆盡，但包括丁球菌（Butyricicoccus）在內(nèi)的其他菌群被發(fā)現(xiàn)與抗抑郁藥物治療有關(guān)。在菌群群系方面，LLD驗(yàn)證數(shù)據(jù)集中沒(méi)有針對(duì)腸分型的統(tǒng)計(jì)支持。通過(guò)引入基于模塊的分析框架，促進(jìn)微生物群-腸道- 腦集中分析和宏基因組數(shù)據(jù)集的解釋，作者編目了結(jié)腸分離物的神經(jīng)活性潛力，識(shí)別無(wú)所不在的特征以及分布有限的途徑。發(fā)現(xiàn)，包括GABA和色氨酸代謝在內(nèi)的幾種微生物途徑富含人腸道相關(guān)微生物，這表明它們?cè)谒拗? 微生物共生中具有潛在作用。此外，三個(gè)GBM與QoL相關(guān)，包括多巴胺代謝物DOPAC的合成。所提出的GBM框架是研究微生物群改變的有價(jià)值的工具，促進(jìn)了在腸- 腦軸背景下的鳥槍宏基因組數(shù)據(jù)的分析。

你可能還喜歡

1. 年度總結(jié) | 100篇微生物相關(guān)高分綜述免費(fèi)領(lǐng)取（附贈(zèng)10篇國(guó)自然標(biāo)書）
   

2. 腸道菌群及代謝相關(guān)試驗(yàn)如何設(shè)計(jì)？20篇高影響因子文章供您參考！（免費(fèi)領(lǐng)取文獻(xiàn)包）