Cell Host & Microbe (IF=30.3)| 聪明宝宝的秘密!“肠脑轴”重磅发现:婴儿肠道菌群影响认识发育!

“肠脑轴”(Gut-Brain Axis)是指肠道和大脑之间的相互作用,涉及到肠道、神经系统和免疫系统之间的复杂交互作用,对人类身体和心理健康起着重要作用。越来越多的证据表明,神经发育与肠道微生物组有关,但由于缺乏与诊断生物标志物匹配的多组学数据,目前人们对“肠脑轴”的潜在机制尚未有全面的理解。

2023年4月2日,西班牙科尔多瓦大学Tomas Cerdo等人在Cell Host & Microbe(IF=30.3, 2023)杂志发表了题为“Infant gut microbiota contributes to cognitive performance in mice”的文章。研究人员使用16S rRNA测序、宏蛋白质组学和代谢组学分析揭示了婴儿认识和肠道菌群之间的联系。结果显示认识能力较好的婴儿肠道菌群可以增强小鼠的记忆,并调节了小鼠外周血皮层(PRC)的组氨酸代谢组,这些结果表明“肠脑轴”在婴儿时期就起到至关重要的作用。


Cell Host & Microbe (IF=30.3)| 聪明宝宝的秘密!“肠脑轴”重磅发现:婴儿肠道菌群影响认识发育!

英文标题:Infant gut microbiota contributes to cognitive performance in mice (Cell Host & Microbe,IF=30.3, 2023)

中文标题:婴儿肠道微生物群有助于小鼠的认知表现

组学技术:16S rRNA+宏蛋白质组学+代谢组学

样本信息:婴儿粪便、小鼠粪便





研究思路

Cell Host & Microbe (IF=30.3)| 聪明宝宝的秘密!“肠脑轴”重磅发现:婴儿肠道菌群影响认识发育!

(图源:Tomas Cerdo, et al., Cell Host & Microbe. 2023)





主要研究结果

01

婴儿认识能力和肠道菌群结构的关系

首先,研究人员基于贝利婴儿发育量表(BSID-III)数据,根据6个月大的婴儿在复合认识、语言和运动三个领域的得分,将婴儿分为高于中位数组和低于中位数组。通过对婴儿粪便样本进行16S rRNA分析,发现唯一与肠道微生物群落结构密切相关的BSID-III量表是复合认识(CC)。与低于CC中位数组(Inf-belowCC)的婴儿相比,高于CC中位数组(Inf-aboveCC)的婴儿肠道菌群具有更高的均匀性(图1A)。在属水平上,Inf-aboveCC组的肠道菌群中杆菌、链球菌、拟副杆菌、严格感梭菌、霍氏杆菌和瘤胃球菌富集,而无毛螺科、嗜血杆菌和乳球菌的显著减少(图1B-D)。上述结果表明,认识能力不同的婴儿,其肠道微生物在群落结构特征上存在显著差异

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图1. Inf-aboveCC和Inf-belowCC组婴儿肠道菌群组成结构

(图片再编辑,图源:Tomas Cerdo, et al., Cell Host & Microbe. 2023)


02

婴儿认识能力相关的宏蛋白质组特征

为了探究与婴儿认识相关的肠道菌群功能特征,研究人员采用宏蛋白质组学对婴儿粪便进行分析。结果表明,Inf-belowCC组的肠道菌群富含参与细胞内运输分泌和囊泡运输的蛋白质,而Inf-aboveCC组中参与碳水化合物运输和代谢的蛋白质有增加的趋势。稀疏偏最小二乘判别分析(sPLS-DA)图显示,婴儿宏蛋白质组(图2A)和促进区分的已鉴定蛋白质组(图2B)之间存在明显区别。组氨酸酶(HutH)是Inf-aboveCC宏白质组中唯一显著富集的蛋白质。随后,研究人员通过DESEq2差异丰度分析(图2C)和Wilcoxon检验进一步证实了上述结果,组氨酸分解代谢的两种下游酶尿糖酸脱水酶(HutU)和咪唑酮丙酸酶(HutI)在Inf-above CC宏蛋白质组中丰度较高。上述分析结果揭示了与婴儿认识能力相关的宏蛋白质组特征。

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图2. 宏蛋白质组学富集分析

(图源:Tomas Cerdo, et al., Cell Host & Microbe. 2023)


03

组氨酸代谢与婴儿认知能力有关

宏蛋白质组学数据和生化实验结果表明婴儿组氨酸代谢与认识能力相关,因此,研究人员开发一种靶向代谢组学方法用于定量分析组氨酸代谢物水平(图3A)。结果表明Inf-aboveCC组婴儿粪便中的尿酸盐水平显著降低,而其余组氨酸代谢物则无差异(图3B)。研究人员进一步检测了婴儿尿液中的组氨酸代谢物,结果显示与Inf-belowCC相比,Inf-aboveCC组婴儿尿液中组胺、组氨酸和尿酸水平显著升高(图3C),且Inf-aboveCC组粪便中的尿酸盐/组氨酸比值(图3D)和尿液中的组胺/尿酸盐比值(图3E)显著降低。粪便中的尿酸盐/组氨酸比值与unclass_lachnospirace_41和Lachnospiraceae incertae sedis属呈负相关,与Bacteroides_3呈正相关(图3F)。尿液中的组氨酸水平与Streptococcus_42和Bacteroides属呈正相关,而尿酸水平与Holdemanella_16呈负相关,与链球菌属呈正相关(图3G)。

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图3. 组氨酸代谢与婴儿认知能力有关

(图源:Tomas Cerdo, et al., Cell Host & Microbe. 2023)


04

婴儿供体的肠道菌群小鼠移植

最后,为了调查肠道微生物群是否有助于认知,研究人员进行了一项粪便微生物群移植(FMT)实验。结果表明,将Inf-aboveCC供体的粪便移植到GF小鼠体内,其记忆功能优于Inf-belowCC供体的小鼠(图4)。被婴儿肠道菌群定植的小鼠拥有与记忆功能相关的不同细菌分类群,认知表现较好的婴儿微生物群小鼠表现出更高的记忆功能,包括Phocaeicola, Bacteroides和Bifidobacterium物种在内的丰富分类群以及不同的组氨酸代谢组学特征(图4B),其中,毛缕菌科和拟杆菌类与婴儿认知的关联在人源化小鼠中得到了复制。此外,与接受Inf-belowCC肠道微生物组的小鼠相比,接受Inf-below cc肠道微生物组的小鼠HutH活性往往更高。总之,这些结果表明通过婴儿供体的肠道菌群粪便移植的记忆功能可以传播给GF小鼠,表明肠道菌群可以作为一种促进记忆的实体。 

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图4. 被婴儿肠道菌群定植的小鼠拥有与记忆功能相关的不同细菌分类群

(图源:Tomas Cerdo, et al., Cell Host & Microbe. 2023)





小结

综上,研究人员通过16S rRNA测序、宏蛋白质组学和代谢组学分析建立了婴儿组氨酸代谢组与认知之间的联系,并发现了一个与认识能力相关的代谢酶—组氨酸酶(HutH)。HutH水平的差异以及不同的粪便和尿液组氨酸代谢组与婴儿认知有关。此外,通过婴儿供体的肠道菌群粪便移植的记忆功能可以传播给无菌小鼠,认识能力较好的婴儿供体移植小鼠富含Phocaeicola, BacteroidesBifidobacterium等与认知能力有关的细菌。研究表明婴儿复合认知和肠道菌群组成之间的关联最早在6个月时就建立起来了,组氨酸代谢物水平的调节是一种潜在的机制。





拜谱小结

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本研究通过16S rRNA测序宏蛋白质组学分析使组氨酸酶在婴儿认识中的作用脱颖而出,并通过代谢组学和粪便移植的方法进一步验证,全面阐述了在婴儿-粪便移植小鼠体系中肠道菌群对认知能力的影响,为“肠脑轴”在婴儿时期的发展和作用机制提供了新的理解。拜谱生物作为一家国内领先的多组学服务公司,可提供蛋白质组学、代谢组学、修饰组学、16S rRNA测序等多组学技术,结合组学技术拜谱生物也推出了针对不同样本和研究领域的多组学研究方案,包括肠道篇、血液篇、医学篇等,帮助客户解决研究难题,助力多篇高分文章的发表,欢迎大家咨询!

参考文献:Tomas C, Alicia RR, Inmaculada A, et al. Infant gut microbiota contributes to cognitive performance in mice. Cell Host & Microbe. 2023, 31(12): 1974-1988. doi: 10.1016/j.chom.2023.11.004.




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