IF：20.8！华中科大陈建国/王芳团队肠-脑轴重大发现！巧用多组学+多种动物模型，肠道菌群玩出新花样！- 大数跨境

IF：20.8！华中科大陈建国/王芳团队肠-脑轴重大发现！巧用多组学+多种动物模型，肠道菌群玩出新花样！

生信日报

2023-12-25

导读：说起肠脑轴，小伙伴们一定不陌生，小仲之前也分享过相关的文章肠道菌群领域热点研究：肠子决定脑子？看看瑞金医院陈

说起肠脑轴，小伙伴们一定不陌生，小仲之前也分享过相关的文章肠道菌群领域热点研究：肠子决定脑子？看看瑞金医院陈生弟课题组这篇9分+的文章是如何研究肠脑轴的！。脑肠轴是中枢神经系统与肠神经系统之间形成的双向通路，胃肠信号经脑肠轴投射到中枢，中枢神经系统通过脑肠轴调节机体的内脏活动功能。大量研究都证明精神健康问题对消化系统影响颇深。反过来，消化系统问题尤其是研究较为广泛、深入的肠道菌群对神经精神疾病也有较大的影响。那么胃肠信号，特别是肠道菌群究竟是如何设法与我们的大脑沟通的，一直是研究热点。

近日，华中科技大学陈建国/王芳教授团队，在Nature metabolism发表题为Gut microbiome-derived ammonia modulates stress vulnerability in the host的研究性论文。在本篇文章中，作者研究切入点十分巧妙，开篇即夺人眼球，即氨作为认知中神经毒性的废物产品，居然具有有益之处。接着作者巧用多种动物模型，结合16sRNA测序和宏基因组测序，进一步分析氨是否可以作为一种肠-脑信号分子，调节宿主的应激易感性。整体实验方法完整，条理清晰，层层推进式的研究和逻辑值得我们学习。接下来，让小仲带你一起探索这篇文章研究内容及思路吧！（Ps：好本子持续为大家带来最新国自然设计思路，这里还有标书质量评估，课题设计，基金培训班服务，有需要的宝子扫码联系我哦）

l题目：肠道微生物群衍生的氨调节宿主的应激易感性

l杂志：Nature metabolism.

l影响因子：IF=20.8

l发表时间：2023年11月

公众号回复“原文”二字可以领取文献，文献编号为231221

研究背景

近年来，肠道生态失调在应激相关精神障碍中的作用已被提出，但尚未完全阐明。脲酶阳性细菌在肠道中产生氨，这是产生氨主要来源。越来越多的证据支持肠道微生物群通过产生细菌衍生的代谢物来影响大脑功能的观点，例如短链脂肪酸、雄烯二酮等。氨是氨基酸和其他含氮化合物的重要代谢物，已被广泛接受为一种具有神经毒性的废物产品，氨含量升高会导致许多神经功能障碍，如震颤、共济失调、癫痫发作、认知障碍、昏迷甚至死亡。除了其众所周知的神经毒性外，人们对内源性氨在高级生物学功能中的有益作用知之甚少。该文研究了氨是否可以作为一种肠-脑信号分子，将肠道微生物的氮代谢与宿主的应激易感性联系起来。

研究思路

在本篇文章中，作者首先使用慢性社会挫败应激（CSDS）的小鼠抑郁模型，测量了血氨、结肠中氨、粪便氨水平以及脲酶水平，发现细菌脲酶可能参与了CSDS诱导的氨水平的下降。为了进一步了解应激诱导的肠道微生物变化与血氨水平之间的因果关系，作者通过粪便微生物群移植（FMT）移植到抗生素鸡尾酒（abx）处理的小鼠中（分别为CON-FMT和CSDS-FMT），观察到CSDS-FMT小鼠的脲酶水平下降粪便、结肠和血液中的氨含量水平降低。接着通过16sRNA测序检测了CSDS暴露小鼠的肠道微生物群的组成以及宏基因组测序，发现脲酶相关通路下调。而口服嗜热链球菌后，CSDS-FMT小鼠血液和粪便中的氨水平和粪便中的脲酶水平升高，抑郁样行为改善。接着作者通过使用细菌脲酶抑制剂氟罗酰胺（FFA）观察肠道氨的减少是否导致了抑郁样行为，并进一步研究了肠道氨含量的减少是否可以直接模拟应激诱导的行为异常。作者测量了乳果糖（LAC）诱导的低氨小鼠模型不同脑区、血液和结肠的谷氨酰胺水平，进一步研究了谷氨酰胺不足是否介导了氨缺乏引起的行为异常。接着作者用全细胞膜片钳技术记录了mPFC中的微型抑制性突触后电流（mIPSCs）和微型兴奋性突触后电流（mEPSCs）。并评估了氯化铵是否可以通过恢复氨的水平来发挥抗抑郁活性。

主要结果

CSDS-改变的微生物群降低了循环氨的水平

作者首先在CSDS小鼠抑郁模型中测量了血氨水平（图1a）。暴露于CSDS后，C57BL/6J小鼠根据其社会互动比例被分为易感组和弹性组，易感小鼠表现出类似抑郁的行为，易感小鼠血液中的氨水平下降（图1b）。同时作者测量了CSDS暴露小鼠不同器官中的氨水平，发现CSDS降低了易感小鼠结肠中的氨水平约40%（图1d），易感小鼠的粪便氨水平较低（图1e），且易感小鼠的脑脊液中的氨水平下降（图1f）。作者检测了尿素、谷氨酰胺酶（GLS）和谷氨酸脱氢酶（GLDH）的水平，发现氨的处理可能不参与CSDS诱导的氨还原（图1g~i）。与对照组进行比较，CSDS暴露的小鼠粪便中的脲酶水平严重降低（图1j）。这一发现表明，细菌脲酶可能参与了CSDS诱导的氨水平的下降。

作者将对照组和CSDS暴露小鼠的粪便微生物群移植（FMT）移植到抗生素鸡尾酒（abx）处理的小鼠中（分别为CON-FMT和CSDS-FMT），观察到CSDS-FMT小鼠的粪便中脲酶水平下降，但GLS水平没有下降（图1k）。CSDS-FMT小鼠的粪便、结肠（图1l)和血液（图1m)中的氨含量水平降低。此外小鼠的社会互动率与它们的血氨水平呈正相关（图1n）。这些数据表明，CSDS改变的微生物足以降低循环氨水平。

脲酶阳性细菌可缓解抑郁型行为

作者首先通过16sRNA基因扩增子测序检测了CSDS暴露小鼠的肠道微生物群的组成，发现CSDS改变了肠道微生物组成。接着进行宏基因组测序，发现肠道微生物群的基因组控制老鼠的代谢、氨基酸代谢和代谢途径，其中脲酶尤其普遍，表明脲酶相关通路下调（图2a）。接下来，作者分析了CSDS对细菌脲酶丰度的影响。CSDS暴露小鼠的宏基因组中脲酶相关基因的百分比低于对照组（图2b，c）。这些发现表明，CSDS降低了脲酶产生微生物将尿素水解成氨的能力。在属水平上分析肠道脲酶产生细菌的相对丰度时，观察到对照组和CSDS组之间的肠道脲酶阳性细菌特征存在明显差异（图2d）。这表明慢性应激对肠道产生脲酶的细菌组成有强烈的影响。作者使用一个具有代表性的脲酶产生菌株，嗜热链球菌，口服给FMT小鼠（图2e）。研究发现，口服嗜热链球菌10 d后，CSDS-FMT小鼠血液和粪便中的氨水平（图2f）和粪便中的脲酶水平（图2g）升高。嗜热链球菌活治疗缓解CSDS-FMT受者的抑郁样行为。这些结果表明，改变的表达酶的微生物可能在介导CSDS诱导的抑郁样行为中发挥因果作用。

肠氨缺乏会导致压力易感性

接着作者通过使用细菌脲酶抑制剂氟罗酰胺（FFA），通过小鼠腹腔注射FFA（6mg/kg；图3a)，发现FFA处理小鼠的血液和粪便中的氨水平低于未处理小鼠（图3b）且表现出类似抑郁的行为（图3c）。然后，作者研究了FFA对嗜热链球菌诱导的小鼠效应的影响。abx处理的小鼠口服活的嗜热链球菌或巴氏杀菌的嗜热链球菌作为对照，然后给予FFA或载体（图3d），观察到抗抑郁作用被FFA治疗消除（图3e），这表明脲酶在嗜热链球菌诱导的行为效应中发挥了中心作用。

为了证实肠道氨在应激敏感性中的作用，作者通过胃内注射乳果糖（LAC）建立了低氨模型（图3f）。LAC处理的小鼠出现了类似抑郁的行为（图3i）。为了确保肠道氨对应激易感性的影响，经LAC处理的小鼠接受了阈下社会挫败应激（SSDS）（图3j）发现LAC处理的小鼠表现出社会互动缺陷（图3k）。综上所述，这些结果表明，肠道氨缺乏足以诱发与压力相关的行为异常。

受损的氨-谷氨酰胺通路会导致行为异常

考虑到氨在星形胶质中通过谷氨酰胺合成酶（GS）在脑中快速转化为谷氨酰胺（Gln）（图4a），作者测量了LAC诱导的低氨小鼠模型不同脑区、血液和结肠的谷氨酰胺水平。结果显示，与对照组相比LAC处理小鼠的mPFC水平下降了约64%，但在ACC、海马、血液或结肠中没有下降（图4b）。作者还观察到CSDS-和慢性应激（CRS）小鼠的mPFC中存在较低的Gln水平（图4c）。此外，接受CSDS-FMT小鼠的mPFC中谷氨酰胺水平降低（图4d）。此外，LAC暴露小鼠（图4e）、CSDS暴露小鼠（图4f）和CSDS-FMT小鼠（图4g）的mPFC中GABA水平下降，而不是Gln水平，这表明表达脲酶的细菌群落失调可能导致mPFC中Gln-GABA代谢的损伤。小鼠腹腔注射GS抑制剂蛋氨酸亚砜亚胺（MSO），进一步证实了小鼠mPFC中MSO严重降低了Gln而不是氨（图4i），支持了Gln在应激应对过程中的重要作用。此外，补充谷氨酰胺挽救了LAC诱导的糖水偏好缺陷，而运动活动没有变化。mPFC内输注谷氨酰胺和系统给药谷氨酰胺均逆转了CSDS暴露小鼠的行为缺陷，但不影响运动活动（图4k，l）。综上所述，有限的谷氨酰胺可用性可能是氨缺乏诱导的行为异常的基础。

肠氨缺乏会导致GABA能功能障碍

接着，作者用全细胞膜片钳技术记录了mPFC中的微型抑制性突触后电流（mIPSCs）和微型兴奋性突触后电流（mEPSCs）。结果表明，MSO抑制氨-Gln通路降低了mPFC锥体神经元中mIPSCs的频率和振幅（图5a，b），但没有降低mEPSCs（图5c，d）。并测量了注射了载体或LAC的小鼠mPFC中的兴奋性和抑制性突触传递，发现LAC小鼠的频率和振幅减少，表明氨缺乏可能损害其利用率限制GABA能功能。接着对mPFC锥体神经元的记录显示，CSDS降低了mIPSCs的频率和振幅，而Gln则逆转了这一效应（图5k，l）。因此，上述结果表明，氨-gln通路的重新激活挽救了CSDS诱导的mPFC中GABAergic的缺陷。

氯化铵可改善CSDS诱导的抑郁型行为

氯化铵是一种临床常见的祛痰药，被广泛用作氨的化学供体。因此，假设氯化铵可以通过恢复氨的水平来发挥抗抑郁活性。适度剂量的氯化铵（31.25mg/kg）可缓解小鼠抑郁样行为。接下来观察氯化铵的抗抑郁作用是否依赖于Gln通路。小鼠腹腔注射MSO以阻断氨-谷氨酰胺通路，发现小鼠mPFC中MSO降低，而氯化铵升高了Gln水平。说明氯化铵的有益作用可能是通过调节宿主的Gln合成途径来介导的（图6e）。接着使用相同的输注模式和剂量评估了氯化铵在在LAC小鼠和CSDS模型中的抗抑郁活性。此外，对mPFC神经元的全细胞记录显示，氯化铵逆转了CSDS诱导的mIPSC频率和振幅的下降（图6n，o），表明通过氯化铵恢复氨稳态挽救了应激诱导的GABAergic功能的损伤。

文章小结

本研究，作者从氨的有益之处切入，切入点具有创新价值；接着使用多种动物模型正向反向进行实验验证，并结合多组学研究分析，更加完善实验方案。该研究切入点新奇，研究方案完整，文章整体逻辑清晰、环环相扣，非常值得我们学习！对肠道菌群感兴趣、却苦于没有新思路的小伙伴快来看看吧！科研道路千千万，关注小仲，陪你一起看！有课题设计需求也可以扫码找小仲哦！小仲能从研究方向和思路方法上提供全方位的服务。