抑郁癥是一種常見(jiàn)的精神障礙疾病，影響人群超過(guò)3億，它是導(dǎo)致殘疾的主要原因之一。然而，抑郁癥相關(guān)機(jī)制尚不清楚。近年來(lái)，腸-腦軸被認(rèn)為是抑郁癥的新靶點(diǎn)，但缺乏關(guān)于抑郁癥-腸道菌群的縱向研究。來(lái)自西班牙的José Manuel Fernández-Real和Rafael Maldonado團(tuán)隊(duì)通過(guò)多隊(duì)列臨床樣本和多組學(xué)方法來(lái)揭示依賴(lài)于腸道菌群的脯氨酸代謝變化對(duì)抑郁癥的影響，并提示靶向菌群/膳食脯氨酸或可有效改善抑郁，相關(guān)研究成果發(fā)表于《Cell Metabolism》。

研究重點(diǎn)解析

1. 膳食和血漿脯氨酸與抑郁嚴(yán)重程度顯著正相關(guān)

2. 血漿脯氨酸水平取決于腸道菌群組成和功能

3. 補(bǔ)充脯氨酸加劇小鼠抑郁樣行為

4. 腦鐵沉積和rich-club網(wǎng)絡(luò)破壞與抑郁和脯氨酸有關(guān)

5. 糞菌移植促進(jìn)小鼠抑郁并增加脯氨酸/GABA轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因水平

6. 敲低脯氨酸/GABA轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因可抵御果蠅抑郁狀態(tài)

7. 植物乳桿菌的單菌定植可改善果蠅抑郁狀態(tài)

宏基因組揭示抑郁評(píng)分相關(guān)特定菌群及功能

首先對(duì)縱向發(fā)現(xiàn)隊(duì)列（IRONMET，n=116）糞便樣本進(jìn)行宏基因組分析，其中非抑郁癥（n=44)、輕度抑郁(n=47)和重度抑郁受試者(n=25)，結(jié)合抑郁篩查量表評(píng)分（PHQ-9）篩選菌群組成和功能與抑郁癥的關(guān)系。結(jié)果顯示，alpha多樣性指數(shù)或香農(nóng)指數(shù)在組間無(wú)顯著差異；然而，非抑郁個(gè)體的Fisher’ alpha多樣性指數(shù)高于抑郁個(gè)體，在輕度和重度抑郁癥之間無(wú)顯著差異。β多樣性的主成分分析(PCA)結(jié)果表明，非抑郁受試者和抑郁受試者之間菌群組成存在顯著差異。對(duì)于每個(gè)分類(lèi)群經(jīng)年齡、性別、體重指數(shù)(BMI)、受教育年限以及抗抑郁藥和焦慮藥物校正后，篩選出30種與抑郁癥顯著相關(guān)的菌種。其中，PHQ-9評(píng)分與Parabacteroides spp.、Acidaminococcus spp.呈正相關(guān)，而與Bifidobacterium pseudolongum和毛螺菌科中產(chǎn)丁酸鹽的菌種呈負(fù)相關(guān)�？v向比較表明，較低水平的放線(xiàn)菌（雙歧桿菌屬和柯林斯菌）和毛螺菌以及較高水平的普雷沃氏菌和腸桿菌與1年后較高的PHQ-9評(píng)分有關(guān)。

在功能上，經(jīng)年齡、性別、BMI、教育年限、抗抑郁藥和抗焦慮藥校正后，與PHQ-9評(píng)分顯著相關(guān)的菌群功能涉及精氨酸、脯氨酸和組氨酸代謝通路且與PHQ-9評(píng)分呈負(fù)相關(guān)，此外，谷氨酸代謝、谷氨酸能突觸和GABA能突觸與PHQ-9評(píng)分顯著相關(guān)。一些具有強(qiáng)關(guān)聯(lián)的細(xì)菌也參與了TCA循環(huán)。溶質(zhì)載體家族6(SLC6)也與PHQ-9評(píng)分呈負(fù)相關(guān)。其中，SLC6主要編碼神經(jīng)遞質(zhì)（例如GABA、單胺、甘氨酸和脯氨酸）轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，也編碼蛋白氨基酸、甜菜堿、牛磺酸和肌酸（圖1），與GABA能突觸變化一致。

圖1. 抑郁癥評(píng)分相關(guān)腸道菌群組成和功能變化

代謝組學(xué)揭示抑郁評(píng)分與組氨酸、精氨酸、脯氨酸降解通路有關(guān)

對(duì)血漿和糞便樣本進(jìn)行代謝組學(xué)分析，基于機(jī)器學(xué)習(xí)變量選擇策略篩選出幾種與PHQ-9評(píng)分相關(guān)的代謝物，這些代謝物參與了TCA循環(huán)（琥珀酸和富馬酸）、組氨酸代謝（尿刊酸）以及脯氨酸和谷氨酸代謝，與之前研究結(jié)果一致。隨后，通過(guò)另一個(gè)獨(dú)立驗(yàn)證隊(duì)列（IMAGEOMICS，n=919）血漿樣本進(jìn)行驗(yàn)證，該隊(duì)列也由非抑郁、輕度和重度抑郁受試者組成。其中兩個(gè)隊(duì)列一致發(fā)現(xiàn)血漿脯氨酸與抑郁評(píng)分的強(qiáng)正相關(guān)。將發(fā)現(xiàn)隊(duì)列（IRONMET）中與PHQ-9評(píng)分顯著相關(guān)的代謝物進(jìn)行通路富集分析，結(jié)果表明，TCA循環(huán)、氧化磷酸化、谷氨酸代謝以及精氨酸、脯氨酸和組氨酸分解代謝相關(guān)的通路顯著富集，結(jié)果也強(qiáng)調(diào)了SLC和氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白以及GABA合成/降解通路及其通過(guò)GABA分流與TCA循環(huán)的聯(lián)系，這些變化主要與哺乳動(dòng)物大腦中的神經(jīng)傳遞有關(guān)。其中，圖2H總結(jié)了與抑郁癥相關(guān)的主要代謝物和菌群功能（圖2）。

圖2. 代謝組學(xué)揭示抑郁評(píng)分相關(guān)血漿和糞便代謝物

血漿脯氨酸水平取決于腸道菌群組成和功能

由于飲食對(duì)腸道菌群組成和代謝活動(dòng)有很大影響，采用食物頻率問(wèn)卷對(duì)常規(guī)營(yíng)養(yǎng)素、維生素、礦物質(zhì)、氨基酸和脂肪酸與發(fā)現(xiàn)隊(duì)列（IRONMET）PHQ-9評(píng)分進(jìn)行分析。結(jié)果顯示，脯氨酸是對(duì)抑郁癥影響最大的飲食因素。根據(jù)血漿脯氨酸和膳食脯氨酸水平將受試者分為4組：HPD-HPP（高膳食脯氨酸水平-高血漿脯氨酸水平），LPD-LPP（低膳食脯氨酸水平-低血液脯氨酸水平）、HPD-LPP、LPD-HPP。結(jié)果顯示，LPHQ-9評(píng)分從高到低依次為HPD-HPP、LPD-HPP、HPD-LPP、LPD-LPP。由于脯氨酸與抑郁癥的關(guān)聯(lián)最為一致，進(jìn)一步分析了血漿脯氨酸與腸道菌群的關(guān)聯(lián)，結(jié)果表明，血漿脯氨酸水平與PHQ-9評(píng)分相關(guān)的菌群特征存在相關(guān)性。血漿脯氨酸與Parabacteroides和普雷沃氏菌屬呈正相關(guān)；與放線(xiàn)菌（包括雙歧桿菌）和毛螺菌科產(chǎn)SCFA菌呈負(fù)相關(guān)。與低血漿脯氨酸組（LPP）相比，高血漿脯氨酸組（HPP）Parabacteroides和Acidaminococcus的種水平較高，但雙歧桿菌屬和毛螺菌科水平較低，特別是Roseburia spp.。HPD-LPP組和HPD-HPP組具有不同的菌群組成，HPD-LPP組菌群組成與抑郁評(píng)分較低相關(guān)的菌群組成一致。功能上，HPD-LPP組在脯氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)和代謝上顯著富集，且與PHQ-9評(píng)分相關(guān)的菌群基因有關(guān)，這提示HPD-LPP組的腸道菌群增強(qiáng)脯氨酸的代謝和轉(zhuǎn)運(yùn)，降低血液中脯氨酸水平，進(jìn)而緩解抑郁。（圖3）。

圖3. 飲食和血漿脯氨酸與抑郁評(píng)分和腸道菌群有關(guān)

RNA測(cè)序揭示與高脯氨酸消耗有關(guān)的基因

由于膳食脯氨酸主要被小腸中的腸細(xì)胞代謝，對(duì)另一個(gè)獨(dú)立隊(duì)列（INTESTINE隊(duì)列，n=28）的空腸樣本進(jìn)行RNA測(cè)序。差異基因表達(dá)分析結(jié)果表明，1,547個(gè)基因轉(zhuǎn)錄本與膳食脯氨酸有關(guān)。功能分析發(fā)現(xiàn)其參與GABA受體激活、突觸相互作用和軸突引導(dǎo)的通路，還參與細(xì)胞外基質(zhì)(ECM)、肌肉收縮、絲裂原活化蛋白激酶（MAPK）信號(hào)傳導(dǎo)和G蛋白偶聯(lián)受體（GPCR）信號(hào)傳導(dǎo)的通路（圖4）。

補(bǔ)充脯氨酸加劇小鼠抑郁樣行為

為了進(jìn)一步研究膳食脯氨酸對(duì)抑郁癥的直接影響，采用小鼠模型進(jìn)行驗(yàn)證。給20只CD-1小鼠喂食標(biāo)準(zhǔn)飲食(SD)，其中補(bǔ)充脯氨酸(36g/L)或水（對(duì)照組）。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，小鼠長(zhǎng)期暴露于不可預(yù)測(cè)的輕度壓力源（UCMS模型），在UCMS暴露6周后，實(shí)驗(yàn)組之間的體重或飲用水無(wú)顯著差異。與補(bǔ)充水的對(duì)照小鼠相比，補(bǔ)充脯氨酸的小鼠血漿脯氨酸水平顯著升高。與只補(bǔ)充水且無(wú)壓力的對(duì)照小鼠相比，補(bǔ)充脯氨酸組在懸尾測(cè)試中不動(dòng)時(shí)間更長(zhǎng)，并蔗糖攝入量減少，這是抑郁癥的核心癥狀。此外，與對(duì)照組相比，UCMS+脯氨酸小鼠的血清脂多糖結(jié)合蛋白(LBP，細(xì)菌易位的標(biāo)志物）水平更高，這表明菌群發(fā)生易位，并與人的結(jié)果一致（圖4）。

圖4. 膳食脯氨酸與空腸RNA有關(guān)

腦鐵沉積和全腦功能動(dòng)力學(xué)揭示與抑郁癥和脯氨酸相關(guān)的rich-club網(wǎng)絡(luò)破壞

由于鐵在谷氨酸和GABA穩(wěn)態(tài)中起著至關(guān)重要的作用，使用磁共振成像(MRI)評(píng)估IRONMET隊(duì)列患者大腦中鐵沉積情況。腦區(qū)松弛測(cè)量參數(shù)（AAL Atlas）和PHQ-9評(píng)分之間的相關(guān)性分析表明，扣帶和額葉相關(guān)區(qū)域的低鐵沉積與抑郁癥呈正相關(guān)。對(duì)驗(yàn)證隊(duì)列（IMAGEOMICS）一部分患者(n=591)進(jìn)行靜息狀態(tài)功能磁共振成像（fMRI）研究，并采用機(jī)器學(xué)習(xí)算法識(shí)別預(yù)測(cè)PHQ-9評(píng)分節(jié)點(diǎn)，共篩選出72個(gè)與抑郁癥相關(guān)的節(jié)點(diǎn)，68個(gè)與血漿脯氨酸水平相關(guān)的節(jié)點(diǎn)，其中30個(gè)與PHQ-9評(píng)分相關(guān)，且這些區(qū)域大多屬于rich-club區(qū)域（一組高度節(jié)點(diǎn)，它們之間連接更緊密）（圖5）。

圖5. 腦鐵沉積和腦網(wǎng)絡(luò)與抑郁評(píng)分和血漿脯氨酸相關(guān)研究

糞菌移植驗(yàn)證抑郁與脯氨酸和GABA轉(zhuǎn)運(yùn)有關(guān)

將來(lái)自20名不同PHQ-9評(píng)分的患者供體糞菌移植（FMT）到20只抗生素處理的小鼠中，采用恐懼條件誘導(dǎo)冷凍測(cè)試（一種公認(rèn)的對(duì)壓力不適應(yīng)反應(yīng)模型）評(píng)估受體小鼠是否出現(xiàn)情緒受損。結(jié)果表明，供體的PHQ-9評(píng)分與受體小鼠的冷凍時(shí)間顯著相關(guān)。供體PHQ-9評(píng)分與受體小鼠菌群特征存在相關(guān)，該特征與人類(lèi)抑郁癥相關(guān)的特征一致，與Acidaminococcus和普雷沃氏菌屬呈正相關(guān)，與放線(xiàn)菌門(mén)（尤其是雙歧桿菌和柯林斯菌）和產(chǎn)SCFA的毛螺菌科呈負(fù)相關(guān)。

考慮到菌群對(duì)谷氨酸能和GABA能的影響，對(duì)受體小鼠的內(nèi)側(cè)前額葉皮層(mPFC)進(jìn)行RNA測(cè)序，結(jié)果表明，在受體小鼠mPFC中確定了59個(gè)轉(zhuǎn)錄本與供體PHQ-9評(píng)分顯著相關(guān)；且44個(gè)轉(zhuǎn)錄本與受體小鼠冷凍時(shí)間相關(guān)，包括slc6a12、slc6a13和 slc6a20a。通路的過(guò)表征分析（ORA）表明，與供體PHQ-9評(píng)分負(fù)相關(guān)的50%轉(zhuǎn)錄本都聚集在一起，并與氧化磷酸化和神經(jīng)退行性疾病有關(guān)。且鑒定出與PHQ-9評(píng)分相關(guān)基因簇，包含編碼GABA轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（slc6a12和slc6a13）和脯氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（slc6a20）的基因轉(zhuǎn)錄本，與功能分析結(jié)果一致。這些結(jié)果與代謝組、宏基因組結(jié)果一致，再次強(qiáng)調(diào)了TCA循環(huán)與GABA、谷氨酸代謝、以及脯氨酸-谷氨酸-GABA-菌群相互作用的重要性（圖6）。

圖6. 糞菌移植后情緒受損表型與mPFC轉(zhuǎn)錄水平相應(yīng)改變

敲低脯氨酸/GABA轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因可抵御果蠅抑郁狀態(tài)

為了確定這些腦轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白在抑郁癥中的作用，連續(xù)5天（STAR方法）對(duì)黑腹果蠅進(jìn)行12小時(shí)機(jī)械壓力重復(fù)刺激。結(jié)果顯示，與無(wú)壓力組相比，壓力組果蠅攀爬嘗試顯著減少，食欲降低，運(yùn)動(dòng)的總步行距離和速度降低，顯示自愿行為活動(dòng)減少和整體缺乏動(dòng)力，為抑郁常見(jiàn)癥狀。在果蠅神經(jīng)元細(xì)胞中，敲低脯氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白CG43066（slc6a20同源體）后，壓力組與無(wú)壓力組在攀爬試驗(yàn)、運(yùn)動(dòng)能力等行為實(shí)驗(yàn)中無(wú)明顯差異，即壓力組不再表現(xiàn)出明顯的抑郁樣行為。敲低果蠅神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞GABA轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白Gat（Slc6a12和Slc6a13同源體），也一定程度上改善壓力組的抑郁行為，表明神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞中Gat對(duì)抑郁樣狀態(tài)具有保護(hù)作用（圖7）。

植物乳桿菌（L. plantarum）單菌定植可改善果蠅抑郁狀態(tài)

雖然Acidaminococcus和雙歧桿菌在人類(lèi)和糞菌移植實(shí)驗(yàn)中與抑郁癥最一致，但這兩個(gè)都不是果蠅菌群成員。因此，選擇了2種先前報(bào)道的果蠅菌群物種，且與抑郁癥呈負(fù)相關(guān)的植物乳桿菌（高GABA生產(chǎn)者）和陰溝腸桿菌（低GABA生產(chǎn)者）分別進(jìn)行單菌定植。結(jié)果表明，在無(wú)菌和陰溝腸桿菌單菌定植雄性果蠅中觀察到攀爬動(dòng)機(jī)顯著降低，但在植物乳桿菌單菌定殖中無(wú)改變。在無(wú)菌和定植陰溝腸桿菌應(yīng)激的雌性果蠅中出現(xiàn)食欲不振，而定植植物乳桿菌后食欲不振則顯著改善。表明定植高GABA生產(chǎn)者植物乳桿菌對(duì)果蠅抑郁狀態(tài)具有保護(hù)作用（圖7）。

圖7. 敲低果蠅脯氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白和單菌定殖的保護(hù)作用

小結(jié)

本研究利用3個(gè)臨床隊(duì)列，結(jié)合代謝組、宏基因組、RNA測(cè)序等分析手段以及小鼠和果蠅模型，探究了腸道菌群、代謝物與抑郁癥的關(guān)系。揭示了依賴(lài)于腸道菌群的脯氨酸代謝變化對(duì)抑郁癥的影響，強(qiáng)調(diào)脯氨酸-谷氨酸-GABA-菌群互作在抑郁癥中的重要性，也提示靶向菌群或減少膳食脯氨酸或可有效改善抑郁。

參考文獻(xiàn)

Microbiota alterations in proline metabolism impact depression. Cell Metabolism. 2022.

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繪譜幫你測(cè)

本研究通過(guò)多隊(duì)列的代謝組和宏基因組分析揭示依賴(lài)于腸道菌群的脯氨酸代謝變化對(duì)抑郁癥的影響。麥特繪譜擁有業(yè)內(nèi)強(qiáng)大的Q600全定量代謝組、Q300全定量代謝組、Q200宏代謝組以及菌群相關(guān)的16S rDNA測(cè)序和宏基因組等方法，可提供代謝組學(xué)一站式整體解決方案，獨(dú)家的檢測(cè)技術(shù)、全面的數(shù)據(jù)報(bào)告以及專(zhuān)業(yè)的售后探討，助力您的科研探索之路不斷創(chuàng)新和突破。詳情歡迎咨詢(xún)麥特繪譜熱線(xiàn)400-867-2686，獲取詳細(xì)資料！

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