今天小編給大家分享一篇宏基因組在神經(jīng)系統(tǒng)疾病研究中的應(yīng)用，本研究通過宏基因組測序技術(shù)和代謝產(chǎn)物預(yù)測分析方法闡明了益生菌通過調(diào)節(jié)腸道微生物菌群的神經(jīng)活性以緩解人類的壓力和焦慮的左右機(jī)制。百邁客微生物產(chǎn)品部具有多年宏基因組研究經(jīng)驗，針對不同類型的樣本均具有豐富的實驗經(jīng)驗，對于提取困難樣本還研發(fā)了微量建庫技術(shù)（”無偏差”宏基因組微量建庫：難提取樣本的福音），此外宏基因組APP還提供40余項免費個性化分析內(nèi)容，同時與代謝組多組學(xué)聯(lián)合分析全新升級，包含普氏分析、相關(guān)性分析、隨機(jī)森林等多項內(nèi)容，為您提供全面的腸道菌群研究方案，歡迎各位老師前來咨詢！

背景介紹

壓力在人們的生活中無處不在，嚴(yán)重的時候會引起人類焦慮甚至抑郁。目前抑郁影響著全球3億多人，每年有近80萬人因抑郁自殺身亡。最近的研究已經(jīng)證明壓力會擾亂人類腸道微生物菌群的平衡，進(jìn)而導(dǎo)致焦慮、抑郁等心理疾病。人類和腸道微生物的基因組溝通進(jìn)化，導(dǎo)致腸道、腸道神經(jīng)系統(tǒng)和中樞神經(jīng)系統(tǒng)之間存在復(fù)雜的互作。腸道菌群參與各種激素、神經(jīng)遞質(zhì)的合成、釋放，其紊亂會導(dǎo)致壓力、焦慮、抑郁、帕金森疾病和阿爾茲海默癥。人類需要維持腸道微生物菌群平衡，從而保證身體健康。足量的益生菌可以與腸道菌群相互作用，使宿主保持心理健康。在這個過程中，益生菌調(diào)節(jié)宿主的腸道微生物群落，及某些神經(jīng)活性化合物的合成、釋放。因此提出了基于益生菌治療某些神經(jīng)和神經(jīng)退行性疾病的療法。高質(zhì)量的人類和動物相關(guān)研究表明，腸道微生物群在許多與壓力相關(guān)的情況中發(fā)揮著重要作用。然而，腸道微生物組在壓力相關(guān)條件下的因果關(guān)系和貢獻(xiàn)程度尚不清楚，本文旨在從腸道微生物組的角度闡明這種機(jī)制。

中文標(biāo)題：食用益生菌可調(diào)節(jié)腸道微生物菌群的神經(jīng)活性以緩解人類的壓力和焦慮

英文標(biāo)題：Probiotic consumption relieved human stress and anxiety symptoms possibly via modulating the neuroactive potential of the gut microbiota

期刊：Neurobiol Stress (IF:5.441)

發(fā)表時間：2021年1月

材料與方法

實驗設(shè)計：實驗組包含43名受試者，每日口服Lactobacillus plantarumP-8（2 克；2×10^10?CFU/小袋/天）；對照組包含36名受試者，每日口服安慰劑麥芽糊精，第0周和第12周收集糞便樣本。

研究技術(shù)：宏基因組測序分析 + 代謝產(chǎn)物預(yù)測分析（Melonnpan）

結(jié)果

1、?有壓力的成人的腸道微生物菌群的基因組特征

獲得的 589 個物種水平的基因組(SGB: species-level genome bins) 可表示宏基因組數(shù)據(jù) 78.56 ± 6.46%的數(shù)據(jù)（圖 1a)。 SGBs分布在13門23綱30目49科91屬341種，大多數(shù) SGB 被分配到厚壁菌門 (57.72%)，其次是擬桿菌門 (14.60%)、放線菌門 (12.56%) 和變形菌門 (8.15%)。50 個 SGB 在物種水平上仍未繪制和未表征，代表未培養(yǎng)物種。這些未培養(yǎng)的物種主要屬于三個門，即厚壁菌門 (72%)、擬桿菌門 (11.67%) 和變形菌門 (4%) (圖1b 和c)。

(a) 宏基因組組裝、分箱、構(gòu)建和去重復(fù)的流程中產(chǎn)生了總共 589 個高質(zhì)量SGB。(b) 589 個高質(zhì)量 SGB 的系統(tǒng)發(fā)育位置。樹的熱圖顯示了在實驗期間 SGB 的每千堿基讀取數(shù) (RPKM) 的 log2 倍變化。(c) 在 589 個 SGB 中，分別有 539 個和 50 個之前培養(yǎng)過和未培養(yǎng)過。(d) 78 個SGB的新穎性。通過與 IGG 數(shù)據(jù)庫（16,136 個非冗余代表性人類腸道基因組的集合）和 Pasolli ?et al.?MAGs 數(shù)據(jù)庫（來自全球人口腸道和其他身體部位的 154,723 個非冗余基因組的數(shù)據(jù)集）的交叉比較發(fā)現(xiàn)都不匹配?(<95% average nucleotide similarity)?。

2、益生菌調(diào)節(jié)腸道微生物群組成

為了評估益生菌對有壓力的成人腸道微生物群的影響，NMDS分析結(jié)果表明第0周和第12周的微生物群結(jié)構(gòu)存在明顯差異。ANOSIM 進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)益生菌組和安慰劑組在第0周沒有顯著差異（R = 0.003，P??= 0.354），但在第12周顯示出顯著差異（R = 0.041，P??= 0.028）。而是，安慰劑接受者在第0周和12周之間的 Aitchison 距離差異顯著大于益生菌接受者（P??= 0.001；圖2b)。此外，與第0周相比，安慰劑接受者的Shannon多樣性指數(shù)在第 12 周顯著下降（P??< 0.05），在益生菌接受者中沒有該顯著下降（圖2c）。上述這些結(jié)果共同表明，盡管 P-8 組和安慰劑組在12周試驗后均表現(xiàn)出alpha/beta多樣性的變化，但益生菌治療導(dǎo)致的腸道微生物群多樣性和結(jié)構(gòu)的變化較小。

“核心菌群”由穩(wěn)定的人體腸道關(guān)鍵微生物組成，與人體健康息息相關(guān)。本研究確定了13個核心SGBs。通過比較益生菌處理前后的益生菌組中所有SGB的豐度，確定了差異豐度的SGB。6個核心SGBs 和 17個非核心SGBs 的豐度隨著益生菌處理前后，顯著變化；SIMPER 分析發(fā)現(xiàn)，這些 SGBs 加起來占微生物群落變異的 13.65%。同時，安慰劑組中1個核心SGB和12個非核心SGB的豐度發(fā)生顯著變化，共同占微生物群落變異的4.85%。此外，在第0周，安慰劑組和益生菌組之間的10個 SGB（例如，B. longum、Megamonas funiformis、Subdoligranulum sp.?60_17、Bacteroides sp?. 和三個未培養(yǎng)物種）顯示沒有顯著差異。但它們在第12周變得顯著差異，占微生物群落變異的5.41%。SIMPER 分析的結(jié)果表明，益生菌/安慰劑處理或不同時間點之間的微生物群落變化主要是微生物群落的整體變化，而不是個體優(yōu)勢物種的變化。

3、益生菌調(diào)節(jié)腸道微生物群相關(guān)的神經(jīng)活性化合物

使用Valles-Colomer 等人開發(fā)的基于模塊的分析框架，預(yù)測我們樣品的神經(jīng)活性化合物。分別有32個和 17個差異豐度模塊與神經(jīng)活性合成和降解相關(guān)（圖 3a 和 b)。根據(jù)其代謝途徑的潛力，合成/降解相關(guān)的 GBMs 可以分為六個功能亞組。?僅在第12周發(fā)現(xiàn)，兩組之間編碼合成相關(guān)的 GBMs（SGBMs）的總豐度存在顯著差異（P?< 0.001）。此外第 12 周，編碼SGBM I（氨基酸和衍生物合成）和SGBMs IV（SCFAs合成）的SGBs在時P-8組和安慰劑組之間差異很大（P??< 0.01）。此外，在第12周時，益生菌組中參與SGBMs II（神經(jīng)遞質(zhì)I合成；含有 γ-氨基丁酸 (GABA) 的三種合成途徑）的SGBs豐度較高。在第12周，益生菌組中編碼 DGBMs II（神經(jīng)遞質(zhì)I降解）和 DGBMs III（神經(jīng)遞質(zhì)II降解）的 SGBs的豐度在第0周和第12周之間顯著差異。DGBMs的其他亞組，例如DGBMs I（氨基酸降解）、DGBMs IV（SCFAs 降解）和DGBMs VI（維生素降解），在試驗后僅發(fā)生了輕微波動。

門級腸腦模塊 (GBM) 的分布。顯示了益生菌 (pro) 和安慰劑 (pla) 組中不同類型的 (a) 合成相關(guān)的GBM (SGBM) 和 (b) 降解相關(guān)的GBM (DGBM) 的分布及其在門水平上的組成。已鑒定的 SGBMs/DGBMs 根據(jù)其代謝物合成的預(yù)測功能分別分為六組（I 至 VI），并將它們相關(guān)的物種水平基因組箱（SGBs）分配給相應(yīng)的門。外圈的大小代表相應(yīng) SGB 的平均豐度。

4、食用益生菌調(diào)節(jié)預(yù)測的腸道神經(jīng)代謝組

MelonnPan 被用于尋找 SGB與潛在神經(jīng)代謝物之間的相關(guān)性。預(yù)測了80種代謝物。其中，脫氧膽酸、谷氨酸鹽和膽酸鹽是最豐富的三種代謝物。通過 NMDS 分析評估受試者預(yù)測的糞便代謝組的變化，在不同時間點收集的樣本形成了清晰的聚類（stress= 0.0862；圖4a）。Procrustes 分析發(fā)現(xiàn)微生物組和代謝組譜之間存在正相關(guān)性（correlation= 0.386；P?= 0.001；圖4b)，表明樣品的代謝物輸出與產(chǎn)生它的SGB一致。P-8組和安慰劑組在12周試驗后腸道代謝物譜發(fā)生顯著變化（P??< 0.001；比較每組第0周和第12周的數(shù)據(jù)），而 ANOSIM 發(fā)現(xiàn)在第0周兩組之間的代謝物譜沒有顯著差異。在 P-8 組和安慰劑組中分別鑒定出41和12種不同豐度的代謝物。在第0周和第12周之間，這些豐度差異的代謝物，在豐度水平上顯著差異。在臨床試驗后，發(fā)現(xiàn)一些代謝物具有相同的變化趨勢，例如，在第12周，兩組的泛酸、煙酸、石膽酸鹽水平顯著降低，同時預(yù)測的胞嘧啶水平顯著增加（?P?< 0.05 ）。這些變化可能不是益生菌治療所特有的。相比之下，益生菌接受者的膽酸鹽、花生四烯酸、肌酸、蘇式鞘氨醇、赤蘚糖酸和C18:0鞘磷脂的平均預(yù)測豐度顯著增高（P??< 0.05；圖4c)，代表食用益生菌會發(fā)生一些神經(jīng)相關(guān)代謝物的特異性變化。

益生菌 (pro) 和安慰劑 (pla) 組在兩個時間點的預(yù)測腸道代謝組之間的差異。(a) 非度量多維標(biāo)度（NMDS，Bray-Curtis 相似性指數(shù)）和（b）對在第 0 周和第 12 周對兩組受試者的預(yù)測微生物組和代謝組進(jìn)行了Procrustes 分析，表明顯示微生物組學(xué)和代謝組學(xué)特征之間的正協(xié)同性（correlation = 0.386；P??= 0.001）。(c) 益生菌組第 0 周和第 12 周之間預(yù)測的差異神經(jīng)活性代謝物。p 值經(jīng) FDR 法校正，閾值 P < 0.05 表示顯著。

結(jié)論

本研究從腸道微生物菌群的角度闡明益生菌L.plantarum?P-8 在緩解成人的壓力、焦慮相關(guān)癥狀方面的機(jī)制。研究結(jié)果表明，益生菌誘導(dǎo)的腸道微生物菌群與人們的壓力、焦慮之間存在潛在聯(lián)系，腸腦軸（gut-brain axis）能夠參與緩解壓力相關(guān)的癥狀。益生菌的有益效果不僅取決于微生物多樣性的變化，還依賴于腸道宏基因組在SGB和功能基因水平的調(diào)節(jié)。

文獻(xiàn)下載：

https://international.biocloud.net/zh/article/detail/33511258
（復(fù)制鏈接到瀏覽器下載原文，如果沒有云平臺賬號需要先注冊）