“腸腦軸”（Gut-Brain Axis）是指腸道和大腦之間的相互作用，涉及到腸道、神經(jīng)系統(tǒng)和免疫系統(tǒng)之間的復(fù)雜交互作用，對(duì)人類身體和心理健康起著重要作用。越來越多的證據(jù)表明，神經(jīng)發(fā)育與腸道微生物組有關(guān)，但由于缺乏與診斷生物標(biāo)志物匹配的多組學(xué)數(shù)據(jù)，目前人們對(duì)“腸腦軸”的潛在機(jī)制尚未有全面的理解。

2023年4月2日，西班牙科爾多瓦大學(xué)Tomas Cerdo等人在Cell Host & Microbe（IF=30.3, 2023）雜志發(fā)表了題為“Infant gut microbiota contributes to cognitive performance in mice”的文章。研究人員使用16S rRNA測(cè)序、宏蛋白質(zhì)組學(xué)和代謝組學(xué)分析揭示了嬰兒認(rèn)識(shí)和腸道菌群之間的聯(lián)系。結(jié)果顯示認(rèn)識(shí)能力較好的嬰兒腸道菌群可以增強(qiáng)小鼠的記憶，并調(diào)節(jié)了小鼠外周血皮層（PRC）的組氨酸代謝組，這些結(jié)果表明“腸腦軸”在嬰兒時(shí)期就起到至關(guān)重要的作用。

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

中文標(biāo)題：嬰兒腸道微生物群有助于小鼠的認(rèn)知表現(xiàn)

組學(xué)技術(shù)：16S rRNA+宏蛋白質(zhì)組學(xué)+代謝組學(xué)

樣本信息：嬰兒糞便、小鼠糞便

研究思路

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

主要研究結(jié)果

01、嬰兒認(rèn)識(shí)能力和腸道菌群結(jié)構(gòu)的關(guān)系

首先，研究人員基于貝利嬰兒發(fā)育量表（BSID-III）數(shù)據(jù)，根據(jù)6個(gè)月大的嬰兒在復(fù)合認(rèn)識(shí)、語(yǔ)言和運(yùn)動(dòng)三個(gè)領(lǐng)域的得分，將嬰兒分為高于中位數(shù)組和低于中位數(shù)組。通過對(duì)嬰兒糞便樣本進(jìn)行16S rRNA分析，發(fā)現(xiàn)唯一與腸道微生物群落結(jié)構(gòu)密切相關(guān)的BSID-III量表是復(fù)合認(rèn)識(shí)（CC）。 與低于CC中位數(shù)組（Inf-belowCC）的嬰兒相比，高于CC中位數(shù)組（Inf-aboveCC）的嬰兒腸道菌群具有更高的均勻性（ 圖1A）。在屬水平上，Inf-aboveCC組的腸道菌群中桿菌、鏈球菌、擬副桿菌、嚴(yán)格感梭菌、霍氏桿菌和瘤胃球菌富集，而無毛螺科、嗜血桿菌和乳球菌的顯著減少（圖1B-D）。上述結(jié)果表明， 認(rèn)識(shí)能力不同的嬰兒，其腸道微生物在群落結(jié)構(gòu)特征上存在顯著差異 。

圖1. Inf-aboveCC和Inf-belowCC組嬰兒腸道菌群組成結(jié)構(gòu)

02、嬰兒認(rèn)識(shí)能力相關(guān)的宏蛋白質(zhì)組特征

為了探究與嬰兒認(rèn)識(shí)相關(guān)的腸道菌群功能特征，研究人員采用宏蛋白質(zhì)組學(xué)對(duì)嬰兒糞便進(jìn)行分析。結(jié)果表明，Inf-belowCC組的腸道菌群富含參與細(xì)胞內(nèi)運(yùn)輸分泌和囊泡運(yùn)輸?shù)牡鞍踪|(zhì)，而Inf-aboveCC組中參與碳水化合物運(yùn)輸和代謝的蛋白質(zhì)有增加的趨勢(shì)。稀疏偏最小二乘判別分析（sPLS-DA）圖顯示，嬰兒宏蛋白質(zhì)組（圖2A）和促進(jìn)區(qū)分的已鑒定蛋白質(zhì)組（圖2B）之間存在明顯區(qū)別。組氨酸酶（HutH）是Inf-aboveCC宏白質(zhì)組中唯一顯著富集的蛋白質(zhì)。隨后，研究人員通過DESEq2差異豐度分析（圖2C）和Wilcoxon檢驗(yàn)進(jìn)一步證實(shí)了上述結(jié)果，組氨酸分解代謝的兩種下游酶尿糖酸脫水酶(HutU)和咪唑酮丙酸酶(HutI)在Inf-above CC宏蛋白質(zhì)組中豐度較高。上述分析結(jié)果揭示了與嬰兒認(rèn)識(shí)能力相關(guān)的宏蛋白質(zhì)組特征。

圖2. 宏蛋白質(zhì)組學(xué)富集分析

03、組氨酸代謝與嬰兒認(rèn)知能力有關(guān)

宏蛋白質(zhì)組學(xué)數(shù)據(jù)和生化實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明嬰兒組氨酸代謝與認(rèn)識(shí)能力相關(guān),因此，研究人員開發(fā)一種靶向代謝組學(xué)方法用于定量分析組氨酸代謝物水平（圖3A）。結(jié)果表明Inf-aboveCC組嬰兒糞便中的尿酸鹽水平顯著降低，而其余組氨酸代謝物則無差異（圖3B）。研究人員進(jìn)一步檢測(cè)了嬰兒尿液中的組氨酸代謝物，結(jié)果顯示與Inf-belowCC相比，Inf-aboveCC組嬰兒尿液中組胺、組氨酸和尿酸水平顯著升高（圖3C），且Inf-aboveCC組糞便中的尿酸鹽/組氨酸比值（圖3D）和尿液中的組胺/尿酸鹽比值（圖3E）顯著降低。糞便中的尿酸鹽/組氨酸比值與unclass_lachnospirace_41和Lachnospiraceae incertae sedis屬呈負(fù)相關(guān)，與Bacteroides_3呈正相關(guān)(圖3F)。尿液中的組氨酸水平與Streptococcus_42和Bacteroides屬呈正相關(guān)，而尿酸水平與Holdemanella_16呈負(fù)相關(guān)，與鏈球菌屬呈正相關(guān)(圖3G)。

圖3. 組氨酸代謝與嬰兒認(rèn)知能力有關(guān)

04、嬰兒供體的腸道菌群小鼠移植

最后，為了調(diào)查腸道微生物群是否有助于認(rèn)知，研究人員進(jìn)行了一項(xiàng)糞便微生物群移植（FMT）實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，將Inf-aboveCC供體的糞便移植到GF小鼠體內(nèi)，其記憶功能優(yōu)于Inf-belowCC供體的小鼠（圖4）。被嬰兒腸道菌群定植的小鼠擁有與記憶功能相關(guān)的不同細(xì)菌分類群，認(rèn)知表現(xiàn)較好的嬰兒微生物群小鼠表現(xiàn)出更高的記憶功能，包括Phocaeicola, Bacteroides和Bifidobacterium物種在內(nèi)的豐富分類群以及不同的組氨酸代謝組學(xué)特征（圖4B），其中，毛縷菌科和擬桿菌類與嬰兒認(rèn)知的關(guān)聯(lián)在人源化小鼠中得到了復(fù)制。此外，與接受Inf-belowCC腸道微生物組的小鼠相比，接受Inf-below cc腸道微生物組的小鼠HutH活性往往更高?？傊@些結(jié)果表明通過嬰兒供體的腸道菌群糞便移植的記憶功能可以傳播給GF小鼠，表明腸道菌群可以作為一種促進(jìn)記憶的實(shí)體。

圖4. 被嬰兒腸道菌群定植的小鼠擁有與記憶功能相關(guān)的不同細(xì)菌分類群

小結(jié)

綜上，研究人員通過16S rRNA測(cè)序、宏蛋白質(zhì)組學(xué)和代謝組學(xué)分析建立了嬰兒組氨酸代謝組與認(rèn)知之間的聯(lián)系，并發(fā)現(xiàn)了一個(gè)與認(rèn)識(shí)能力相關(guān)的代謝酶—組氨酸酶（HutH）。HutH水平的差異以及不同的糞便和尿液組氨酸代謝組與嬰兒認(rèn)知有關(guān)。此外，通過嬰兒供體的腸道菌群糞便移植的記憶功能可以傳播給無菌小鼠，認(rèn)識(shí)能力較好的嬰兒供體移植小鼠富含Phocaeicola, Bacteroides和Bifidobacterium等與認(rèn)知能力有關(guān)的細(xì)菌。研究表明嬰兒復(fù)合認(rèn)知和腸道菌群組成之間的關(guān)聯(lián)最早在6個(gè)月時(shí)就建立起來了，組氨酸代謝物水平的調(diào)節(jié)是一種潛在的機(jī)制。

拜譜小結(jié)

本研究通過16S rRNA測(cè)序和宏蛋白質(zhì)組學(xué)分析使組氨酸酶在嬰兒認(rèn)識(shí)中的作用脫穎而出，并通過代謝組學(xué)和糞便移植的方法進(jìn)一步驗(yàn)證，全面闡述了在嬰兒-糞便移植小鼠體系中腸道菌群對(duì)認(rèn)知能力的影響，為“腸腦軸”在嬰兒時(shí)期的發(fā)展和作用機(jī)制提供了新的理解。拜譜生物作為一家國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的多組學(xué)服務(wù)公司，可提供蛋白質(zhì)組學(xué)、代謝組學(xué)、修飾組學(xué)、16S rRNA測(cè)序等多組學(xué)技術(shù)，結(jié)合組學(xué)技術(shù)拜譜生物也推出了針對(duì)不同樣本和研究領(lǐng)域的多組學(xué)研究方案，包括腸道篇、血液篇、醫(yī)學(xué)篇等，幫助客戶解決研究難題，助力多篇高分文章的發(fā)表，歡迎大家咨詢!

參考文獻(xiàn)：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.