Nat:肠道微生物代谢物可影响大脑活动并导致焦虑行为

顾汉现

Nature:肠道微生物代谢物可影响大脑活动并导致焦虑行为！   焦虑竟可能源于肠道菌群

本文是肠道菌群如厚壁菌门、拟杆菌门、放线菌门和变形菌门等，影响脑部的正常发育和功能调节等，在自闭症、焦虑症、抑郁症和其他疾病中发挥作用的基础科学研究论文。
(Translated by Baidu: )
Nature: Intestinal microbiota metabolites can affect brain activity and lead to anxious behavior! Anxiety can originate from gut microbiota
This article is a fundamental scientific research paper on gut microbiota such as Firmicutes, Bacteroidetes, Actinobacteria, and Proteobacteria, which affect normal brain development and functional regulation, and play a role in autism, anxiety, depression, and other diseases.
（百度翻訳： ）
Nature：腸内微生物代謝物は脳活動に影響を与え、不安行動を引き起こす！不安は腸内細菌群に由来する可能性がある
本文は腸管菌群、例えば厚肉菌門、擬桿菌門、放線菌門と変形菌門など、脳の正常な発育と機能調節などに影響し、自閉症、焦慮症、うつ病とその他の疾病の中で作用する基礎科学研究論文である。

BioArt

2022/03/07

论文
论文标题：A gut-derived metabolite alters brain activity and anxiety behaviour in mice
作者：Needham, Brittany D., Funabashi, Masanori, Adame, Mark D., Wang, Zhuo, Boktor, Joseph C., Haney, Jillian, Wu, Wei-Li, Rabut, Claire, Ladinsky, Mark S., Hwang, Son-Jong, Guo, Yumei, Zhu, Qiyun, Griffiths, Jessica A., Knight, Rob, Bjorkman, Pamela J., Shapiro, Mikhail G., Geschwind, Daniel H., Holschneider, Daniel P., Fischbach, Michael A., Mazmanian, Sarkis K.

期刊：Nature
发表时间：2022/02/14
数字识别码：10.1038/s41586-022-04396-8
摘要：Integration of sensory and molecular inputs from the environment shapes animal behaviour. A major site of exposure to environmental molecules is the gastrointestinal tract, in which dietary components are chemically transformed by the microbiota1 and gut-derived metabolites are disseminated to all organs, including the brain2. In mice, the gut microbiota impacts behaviour3, modulates neurotransmitter production in the gut and brain4,5, and influences brain development and myelination patterns6,7. The mechanisms that mediate the gut–brain interactions remain poorly defined, although they broadly involve humoral or neuronal connections. We previously reported that the levels of the microbial metabolite 4-ethylphenyl sulfate (4EPS) were increased in a mouse model of atypical neurodevelopment8. Here we identified biosynthetic genes from the gut microbiome that mediate the conversion of dietary tyrosine to 4-ethylphenol (4EP), and bioengineered gut bacteria to selectively produce 4EPS in mice. 4EPS entered the brain and was associated with changes in region-specific activity and functional connectivity. Gene expression signatures revealed altered oligodendrocyte function in the brain, and 4EPS impaired oligodendrocyte maturation in mice and decreased oligodendrocyte–neuron interactions in ex vivo brain cultures. Mice colonized with 4EP-producing bacteria exhibited reduced myelination of neuronal axons. Altered myelination dynamics in the brain have been associated with behavioural outcomes7,9,10,11,12,13,14. Accordingly, we observed that mice exposed to 4EPS displayed anxiety-like behaviours, and pharmacological treatments that promote oligodendrocyte differentiation prevented the behavioural effects of 4EPS. These findings reveal that a gut-derived molecule influences complex behaviours in mice through effects on oligodendrocyte function and myelin patterning in the brain.

所属学科：
微生物学
生物
生理学
（领研网导读 一晴）肠道微生物群影响行为，但介导肠-脑相互作用的机制仍不清楚。本研究从肠道微生物中鉴定了介导饮食中酪氨酸转化为4-乙基酚(4EP)的基因，并利用生物工程肠道细菌选择性地产生4-乙基苯基硫酸酯(4EPS)。4EPS进入大脑后与区域特异性活动和功能连接的变化有关。4EPS能够损害小鼠少突胶质细胞成熟，减少少突胶质细胞与神经元的相互作用。暴露于4EPS的小鼠表现出焦虑样行为，而促进少突胶质细胞分化的药物治疗可以阻止4EPS的行为效应。这些发现表明，肠道的4EPS分子通过影响大脑中的少突胶质细胞功能和髓鞘模式来影响小鼠的复杂行为。




撰文 | 言笑


肠道菌群是由诸多共生及致病微生物组成的复杂而动态的群落，大多属于厚壁菌门、拟杆菌门、放线菌门和变形菌门。它们与宿主紧密合作，对机体的生理调节产生影响，尤其是在脑部的正常发育和功能调节等方面发挥了独特的作用。已有研究显示，这个总重一磅到三磅之间、包含着一千多种不同的细菌、由万亿个细胞共同形成的细菌集合物，在自闭症、焦虑症、抑郁症和其他疾病中均发挥着关键作用【1-3】。



数十年来，科学家在关于自闭症的研究中取得了一些引人注目的成果。大约3/4的自闭症患者同时伴有某些胃肠功能异常，这一现象促使科学家们探究肠道微生物与自闭症之间的潜在联系。近期研究表明，自闭症患者的肠道菌群与对照组有显著差异，但微生物具体如何与自闭症互相作用，微生物究竟是自闭症的一个触发器还是防护盾，依旧是未解之谜。加州理工学院的微生物学家萨尔基斯·马兹曼尼亚（Sarkis Mazmanian）一直致力于探究肠道菌群与自闭症的关系，因其在肠道菌群方面的工作，他在2012年获得了麦克阿瑟奖（MacArthur Fellows Program or MacArthur Fellowship，俗称“天才奖”，被视为美国跨领域最高奖项之一）。目前，马兹曼尼亚和他的同事们已经确定了一个可能介导肠道菌群和自闭症相互作用的关联物，即由肠道细菌产生的名为4-乙基苯酚硫酸盐（4-ethylphenyl sulphate, 4EPS）的化学物质。他们发现，有自闭症症状的小鼠，血液中的4EPS水平比对照组小鼠高出40多倍；给小鼠注射4EPS后，会出现类似自闭症的症状【4】。马兹曼尼亚认为“在小鼠模型中除掉产生4EPS的源头，自闭症症状便会消失，调整肠道细菌可能是治疗自闭症的一项可行的措施，”。但4EPS水平与大脑之间的关系尚不明确。



2022年2月14日，Sarkis K. Mazmanian团队在Nature杂志上在线发表了题为A gut-derived metabolite alters brain activity and anxiety behaviour in mice的文章，揭示了4EPS与大脑相互作用的机制。研究人员发现酪氨酸可以被肠道微生物群代谢成4EP，随后4EP在宿主磺基转移酶（SULT1A1）的作用下生成4EPS；4EPS进入小鼠大脑，影响特定大脑区域的激活和连接，并破坏大脑中少突胶质细胞的成熟和髓鞘形成模式，进而调控小鼠的大脑活动和焦虑样行为。





首先，作者对4EPS的生物合成途径进行了探究。据预测，肠道微生物组的基因可以将酪氨酸转化为4EP，然后被宿主硫酸化为4EPS（图1）。支持这一推论的是，在没有微生物群的无菌（germ-free, GF）小鼠中检测不到4EPS。有研究显示，厚壁菌门（Firmicutes phylum）中一些罕见的细菌可以利用对香豆酸（p-coumaric acid）作为底物产生4EP【5-6】，p-coumaric acid的前体包括酪氨酸。通过筛选候选肠道细菌分离物，作者发现Bacteroides ovatus（B.ovatus）可以将酪氨酸转化为p-coumaric acid。BLAST（Basic Align ment Search Tool）分析在B.ovatus中鉴定出一个关键酶—酪氨酸氨裂解酶（tyrosine ammonia lyase, AL, encoded by BACOVA_01194），该酶的缺失将致使B.ovatus失去产生p-coumaric acid的能力。随后，作者将B.ovatus和Lactobacillus plantarum（可以将p-coumaric acid转化为4EP【6】）共同定植于GF小鼠中，但在小鼠尿液中仅能检测到低水平的4EPS。为了提高4EPS的产量，作者对菌株进行了工程改造, 改造后的B.ovatus菌株B.ovatus1194/PAD（MFA05）能将酪氨酸转化为中间产物4-乙烯基酚（4-vinylphenol），在与L. plantarum共培养的条件下，4-vinylphenol定量代谢为4EP。相反，B. ovatusΔ1194突变体（MFA01）与L. plantarum共培养时，不产生4EP。




图1. 肠道细菌中4EPS的可能生物合成途径



接下来，作者在不同的GF小鼠群中分别定植了B.ovatus1194/PAD和B.ovatusΔ1194菌株，进而获得了4EP+和4EP-小鼠。与预期结果一致，在4EP+小鼠粪便中检测到了4EP（图2e），并且在其血清和尿液中检测到4EPS（图2f）。相反，4EP和4EPS在4EP-小鼠中都没有检测到。用丙磺舒（probenecid，抑制通过血脑屏障介导小分子外流的有机阴离子转运蛋白）处理4EP+小鼠后，可以在其大脑中检测到4EPS，表明4EPS可以在大脑中积累。4EP和4EPS是酚醛分子，可能具有毒性或炎症特性，但4EP+和4EP−小鼠在体重或自由活动方面没有明显差异。4EP+小鼠也没有表现出肠道功能障碍。这些数据说明作者建立了一个简化的动物模型，该模型再现了与行为改变相关的肠道微生物代谢物暴露的自然途径。



虽然4EP或4EPS（之后统称为4EP(S)）可能对各种器官都有影响，但该研究中，作者重点关注的是大脑。通过功能超声成像（functional ultrasound imaging, fUSi）评估4EP+和4EP−小鼠的全脑功能连接差异：与4EP−小鼠相比，4EP+小鼠内信号传导模式的相关性发生改变，主要发生在海马（hippocampus）、丘脑（thalamus）、杏仁核（amygdala）、下丘脑（hypothalamus）、梨状体（piriform）和皮层（cortex），提示4EPS的升高与小鼠大脑各区域间异常的功能连接有关。随后作者通过葡萄糖摄取实验比较了大脑的神经活动：4EP(S)与下丘脑亚区（前部、外侧和室旁核）、杏仁核（前部、基底外侧、中央和皮层）和终纹床核（bed nucleus of the stria terminalis, BNST），以及丘脑室旁核（paraventricular nucleus of the thalamus, PVT）的葡萄糖摄取增加有关。这些数据表明，4EP会导致多个大脑区域的功能连接和活动改变，包括几个与边缘系统相关的区域。



为了探究介导4EP(S)影响大脑活动的分子机制，作者对来自4EP+和4EP−小鼠的六个脑区（包括PVT、基底外侧杏仁核、下丘脑、BNST、内侧前额叶皮层和腹侧海马体）进行了mRNA测序（QuantSeq）分析。4EP(S)主要影响PVT中的整体基因表达，对BNST和基底外侧杏仁核的影响较小。GO聚类分析显示，4EP+小鼠PVT中的Notch信号通路升高，而与树突和神经元投射发育相关的通路降低。与4EP−小鼠相比，4EP+小鼠PVT中神经元、新形成的少突胶质细胞和成熟少突胶质细胞特异性基因的表达降低，表明这些细胞类型的发育、丰度和/或活性的降低与暴露于4EP(S)有关。成熟的少突胶质细胞通过髓鞘将神经元投射隔离，可促进动作电位沿轴突的传导。髓鞘少突胶质细胞糖蛋白（Mog）和Opalin基因在4EP+小鼠的PVT中被下调，而与非髓鞘、少突胶质细胞祖细胞相关的几个基因升高。进一步分析发现，4EP +小鼠中未成熟的少突胶质细胞前体细胞增加，成熟少突胶质细胞减少，泛神经元标志物NeuN和泛少突胶质细胞标志物OLIG2的水平保持不变，表明4EP(S)影响少突胶质细胞的成熟，而不是该谱系内细胞总数的变化。同时，作者发现4EP+小鼠的全脑和胼胝体中神经元髓鞘形成减少。



最后，作者探究了肠道4EP的产生是否可以调节小鼠的复杂行为，数据显示4EP(S)在几种常见的行为学检测中均可以促进显著的焦虑样行为：（1）高架十字迷宫（elevated plus maze, EPM），其中4EP+小鼠在开放臂的末端花费的时间更少；（2）旷场探索（open-field exploration），4EP+小鼠冒险进入暴露区域的时间更少；（3）黑白箱实验（light/dark box），4EP +小鼠在黑暗中花费了更多的时间。4EP+小鼠也表现出埋珠行为的增加，反映了焦虑和/或刻板行为的特征。值得注意的是，使用富马酸氯马汀（clemastine fumarate）增强少突胶质细胞的成熟可防止4EP+小鼠的行为改变；使用咪康唑（miconazole）诱导髓鞘形成也可以改善4EP+小鼠的焦虑样行为，表明4EP(S)通过影响少突胶质细胞成熟调节小鼠的焦虑样行为。



总的来说，在该研究中，作者发现了一种产生肠道微生物代谢物4EP的生物合成途径，酪氨酸或其他膳食来源均可作为前体被肠道菌群代谢成4EP；4EP在宿主的作用下被转化为4EPS，随后进入小鼠大脑，改变特定大脑区域的激活和连接，并破坏大脑中少突胶质细胞的成熟和髓鞘形成模式；肠道暴露于4EP会改变小鼠的多种情绪化行为。作者未来的工作将集中于揭示4EPS如何导致少突胶质细胞成熟和髓鞘化的变化，并研究髓鞘化如何影响行为。该研究鉴定了进入大脑并影响大脑活动的肠道衍生代谢物，定义了焦虑样行为的环境影响因素。




参考文献

1. Sharon, G. et al. Specialized metabolites from the microbiome in health and disease. Cell Metab. 20, 719–730 (2014).

2. Vuong, H. E., Yano, J. M., Fung, T. C. & Hsiao, E. Y. The microbiome and host behavior. Annu. Rev. Neurosci. 40, 21–49 (2017).

3. Huang, F. & Wu, X. Brain neurotransmitter modulation by gut microbiota in anxiety and depression. Front. Cell Dev. Biol. 9, 649103 (2021).

4. Needham, B. D. et al. Plasma and fecal metabolite profiles in autism spectrum disorder. Biol. Psychiatry 89, 451–462 (2020).

5. Chamkha, M., Garcia, J. L. & Labat, M. Metabolism of cinnamic acids by some Clostridiales and emendation of the descriptions of Clostridium aerotolerans, Clostridium celerecrescens and Clostridium xylanolyticum. Int. J. Syst. Evol. Microbiol. 51, 2105–2111 (2001).

6. Santamaría, L., Reverón, I., Felipe, F. L. D., et al. Ethylphenol Formation by Lactobacillus plantarum: identification of the enzyme involved in the reduction of vinylphenols. Appl. Environ. Microbiol. 84, e01064-18 (2018).


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文章标签
肠道微生物
肠-脑相互作用
酪氨酸
4-乙基酚(4EP) : )
4-乙基苯基硫酸酯(4EPS)
突胶质细胞
神经元
焦虑样行为

https://www.nature.com/articles/s41586-022-04396-8

https://www.linkresearcher.com/t ... 2-ace3-be1474db0724

https://news.bioon.com/article/6796094.html



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