今天小編給大家分享一篇宏基因組在神經(jīng)系統(tǒng)疾病研究中的應(yīng)用，本研究通過(guò)宏基因組測(cè)序技術(shù)和代謝產(chǎn)物預(yù)測(cè)分析方法闡明了益生菌通過(guò)調(diào)節(jié)腸道微生物菌群的神經(jīng)活性以緩解人類的壓力和焦慮的左右機(jī)制。百邁客微生物產(chǎn)品部具有多年宏基因組研究經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)不同類型的樣本均具有豐富的實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于提取困難樣本還研發(fā)了微量建庫(kù)技術(shù)（”無(wú)偏差”宏基因組微量建庫(kù)：難提取樣本的福音），此外宏基因組APP還提供40余項(xiàng)免費(fèi)個(gè)性化分析內(nèi)容，同時(shí)與代謝組多組學(xué)聯(lián)合分析全新升級(jí)，包含普氏分析、相關(guān)性分析、隨機(jī)森林等多項(xiàng)內(nèi)容，為您提供全面的腸道菌群研究方案，歡迎各位老師前來(lái)咨詢！
背景介紹
壓力在人們的生活中無(wú)處不在，嚴(yán)重的時(shí)候會(huì)引起人類焦慮甚至抑郁。目前抑郁影響著全球3億多人，每年有近80萬(wàn)人因抑郁自殺身亡。最近的研究已經(jīng)證明壓力會(huì)擾亂人類腸道微生物菌群的平衡，進(jìn)而導(dǎo)致焦慮、抑郁等心理疾病。人類和腸道微生物的基因組溝通進(jìn)化，導(dǎo)致腸道、腸道神經(jīng)系統(tǒng)和中樞神經(jīng)系統(tǒng)之間存在復(fù)雜的互作。腸道菌群參與各種激素、神經(jīng)遞質(zhì)的合成、釋放，其紊亂會(huì)導(dǎo)致壓力、焦慮、抑郁、帕金森疾病和阿爾茲海默癥。人類需要維持腸道微生物菌群平衡，從而保證身體健康。足量的益生菌可以與腸道菌群相互作用，使宿主保持心理健康。在這個(gè)過(guò)程中，益生菌調(diào)節(jié)宿主的腸道微生物群落，及某些神經(jīng)活性化合物的合成、釋放。因此提出了基于益生菌治療某些神經(jīng)和神經(jīng)退行性疾病的療法。高質(zhì)量的人類和動(dòng)物相關(guān)研究表明，腸道微生物群在許多與壓力相關(guān)的情況中發(fā)揮著重要作用。然而，腸道微生物組在壓力相關(guān)條件下的因果關(guān)系和貢獻(xiàn)程度尚不清楚，本文旨在從腸道微生物組的角度闡明這種機(jī)制。
中文標(biāo)題：食用益生菌可調(diào)節(jié)腸道微生物菌群的神經(jīng)活性以緩解人類的壓力和焦慮
英文標(biāo)題：Probiotic consumption relieved human stress and anxiety symptoms possibly via modulating the neuroactive potential of the gut microbiota
期刊：Neurobiol Stress (IF:5.441)
發(fā)表時(shí)間：2021年1月
材料與方法
實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：實(shí)驗(yàn)組包含43名受試者，每日口服Lactobacillus plantarumP-8（2 克；2×10^10?CFU/小袋/天）；對(duì)照組包含36名受試者，每日口服安慰劑麥芽糊精，第0周和第12周收集糞便樣本。
研究技術(shù)：宏基因組測(cè)序分析 + 代謝產(chǎn)物預(yù)測(cè)分析（Melonnpan）
結(jié)果
1、?有壓力的成人的腸道微生物菌群的基因組特征
獲得的 589 個(gè)物種水平的基因組(SGB: species-level genome bins) 可表示宏基因組數(shù)據(jù) 78.56 ± 6.46%的數(shù)據(jù)（圖 1a)。 SGBs分布在13門23綱30目49科91屬341種，大多數(shù) SGB 被分配到厚壁菌門 (57.72%)，其次是擬桿菌門 (14.60%)、放線菌門 (12.56%) 和變形菌門 (8.15%)。50 個(gè) SGB 在物種水平上仍未繪制和未表征，代表未培養(yǎng)物種。這些未培養(yǎng)的物種主要屬于三個(gè)門，即厚壁菌門 (72%)、擬桿菌門 (11.67%) 和變形菌門 (4%) (圖1b 和c)。
(a) 宏基因組組裝、分箱、構(gòu)建和去重復(fù)的流程中產(chǎn)生了總共 589 個(gè)高質(zhì)量SGB。(b) 589 個(gè)高質(zhì)量 SGB 的系統(tǒng)發(fā)育位置。樹的熱圖顯示了在實(shí)驗(yàn)期間 SGB 的每千堿基讀取數(shù) (RPKM) 的 log2 倍變化。(c) 在 589 個(gè) SGB 中，分別有 539 個(gè)和 50 個(gè)之前培養(yǎng)過(guò)和未培養(yǎng)過(guò)。(d) 78 個(gè)SGB的新穎性。通過(guò)與 IGG 數(shù)據(jù)庫(kù)（16,136 個(gè)非冗余代表性人類腸道基因組的集合）和 Pasolli ?et al.?MAGs 數(shù)據(jù)庫(kù)（來(lái)自全球人口腸道和其他身體部位的 154,723 個(gè)非冗余基因組的數(shù)據(jù)集）的交叉比較發(fā)現(xiàn)都不匹配?(<95% average nucleotide similarity)?。
2、益生菌調(diào)節(jié)腸道微生物群組成
為了評(píng)估益生菌對(duì)有壓力的成人腸道微生物群的影響，NMDS分析結(jié)果表明第0周和第12周的微生物群結(jié)構(gòu)存在明顯差異。ANOSIM 進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)益生菌組和安慰劑組在第0周沒(méi)有顯著差異（R = 0.003，P??= 0.354），但在第12周顯示出顯著差異（R = 0.041，P??= 0.028）。而是，安慰劑接受者在第0周和12周之間的 Aitchison 距離差異顯著大于益生菌接受者（P??= 0.001；圖2b)。此外，與第0周相比，安慰劑接受者的Shannon多樣性指數(shù)在第 12 周顯著下降（P??< 0.05），在益生菌接受者中沒(méi)有該顯著下降（圖2c）。上述這些結(jié)果共同表明，盡管 P-8 組和安慰劑組在12周試驗(yàn)后均表現(xiàn)出alpha/beta多樣性的變化，但益生菌治療導(dǎo)致的腸道微生物群多樣性和結(jié)構(gòu)的變化較小。
“核心菌群”由穩(wěn)定的人體腸道關(guān)鍵微生物組成，與人體健康息息相關(guān)。本研究確定了13個(gè)核心SGBs。通過(guò)比較益生菌處理前后的益生菌組中所有SGB的豐度，確定了差異豐度的SGB。6個(gè)核心SGBs 和 17個(gè)非核心SGBs 的豐度隨著益生菌處理前后，顯著變化；SIMPER 分析發(fā)現(xiàn)，這些 SGBs 加起來(lái)占微生物群落變異的 13.65%。同時(shí)，安慰劑組中1個(gè)核心SGB和12個(gè)非核心SGB的豐度發(fā)生顯著變化，共同占微生物群落變異的4.85%。此外，在第0周，安慰劑組和益生菌組之間的10個(gè) SGB（例如，B. longum、Megamonas funiformis、Subdoligranulum sp.?60_17、Bacteroides sp?. 和三個(gè)未培養(yǎng)物種）顯示沒(méi)有顯著差異。但它們?cè)诘?2周變得顯著差異，占微生物群落變異的5.41%。SIMPER 分析的結(jié)果表明，益生菌/安慰劑處理或不同時(shí)間點(diǎn)之間的微生物群落變化主要是微生物群落的整體變化，而不是個(gè)體優(yōu)勢(shì)物種的變化。
3、益生菌調(diào)節(jié)腸道微生物群相關(guān)的神經(jīng)活性化合物
使用Valles-Colomer 等人開發(fā)的基于模塊的分析框架，預(yù)測(cè)我們樣品的神經(jīng)活性化合物。分別有32個(gè)和 17個(gè)差異豐度模塊與神經(jīng)活性合成和降解相關(guān)（圖 3a 和 b)。根據(jù)其代謝途徑的潛力，合成/降解相關(guān)的 GBMs 可以分為六個(gè)功能亞組。?僅在第12周發(fā)現(xiàn)，兩組之間編碼合成相關(guān)的 GBMs（SGBMs）的總豐度存在顯著差異（P?< 0.001）。此外第 12 周，編碼SGBM I（氨基酸和衍生物合成）和SGBMs IV（SCFAs合成）的SGBs在時(shí)P-8組和安慰劑組之間差異很大（P??< 0.01）。此外，在第12周時(shí)，益生菌組中參與SGBMs II（神經(jīng)遞質(zhì)I合成；含有 γ-氨基丁酸 (GABA) 的三種合成途徑）的SGBs豐度較高。在第12周，益生菌組中編碼 DGBMs II（神經(jīng)遞質(zhì)I降解）和 DGBMs III（神經(jīng)遞質(zhì)II降解）的 SGBs的豐度在第0周和第12周之間顯著差異。DGBMs的其他亞組，例如DGBMs I（氨基酸降解）、DGBMs IV（SCFAs 降解）和DGBMs VI（維生素降解），在試驗(yàn)后僅發(fā)生了輕微波動(dòng)。
門級(jí)腸腦模塊 (GBM) 的分布。顯示了益生菌 (pro) 和安慰劑 (pla) 組中不同類型的 (a) 合成相關(guān)的GBM (SGBM) 和 (b) 降解相關(guān)的GBM (DGBM) 的分布及其在門水平上的組成。已鑒定的 SGBMs/DGBMs 根據(jù)其代謝物合成的預(yù)測(cè)功能分別分為六組（I 至 VI），并將它們相關(guān)的物種水平基因組箱（SGBs）分配給相應(yīng)的門。外圈的大小代表相應(yīng) SGB 的平均豐度。
4、食用益生菌調(diào)節(jié)預(yù)測(cè)的腸道神經(jīng)代謝組
MelonnPan 被用于尋找 SGB與潛在神經(jīng)代謝物之間的相關(guān)性。預(yù)測(cè)了80種代謝物。其中，脫氧膽酸、谷氨酸鹽和膽酸鹽是最豐富的三種代謝物。通過(guò) NMDS 分析評(píng)估受試者預(yù)測(cè)的糞便代謝組的變化，在不同時(shí)間點(diǎn)收集的樣本形成了清晰的聚類（stress= 0.0862；圖4a）。Procrustes 分析發(fā)現(xiàn)微生物組和代謝組譜之間存在正相關(guān)性（correlation= 0.386；P?= 0.001；圖4b)，表明樣品的代謝物輸出與產(chǎn)生它的SGB一致。P-8組和安慰劑組在12周試驗(yàn)后腸道代謝物譜發(fā)生顯著變化（P??< 0.001；比較每組第0周和第12周的數(shù)據(jù)），而 ANOSIM 發(fā)現(xiàn)在第0周兩組之間的代謝物譜沒(méi)有顯著差異。在 P-8 組和安慰劑組中分別鑒定出41和12種不同豐度的代謝物。在第0周和第12周之間，這些豐度差異的代謝物，在豐度水平上顯著差異。在臨床試驗(yàn)后，發(fā)現(xiàn)一些代謝物具有相同的變化趨勢(shì)，例如，在第12周，兩組的泛酸、煙酸、石膽酸鹽水平顯著降低，同時(shí)預(yù)測(cè)的胞嘧啶水平顯著增加（?P?< 0.05 ）。這些變化可能不是益生菌治療所特有的。相比之下，益生菌接受者的膽酸鹽、花生四烯酸、肌酸、蘇式鞘氨醇、赤蘚糖酸和C18:0鞘磷脂的平均預(yù)測(cè)豐度顯著增高（P??< 0.05；圖4c)，代表食用益生菌會(huì)發(fā)生一些神經(jīng)相關(guān)代謝物的特異性變化。
益生菌 (pro) 和安慰劑 (pla) 組在兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)的預(yù)測(cè)腸道代謝組之間的差異。(a) 非度量多維標(biāo)度（NMDS，Bray-Curtis 相似性指數(shù)）和（b）對(duì)在第 0 周和第 12 周對(duì)兩組受試者的預(yù)測(cè)微生物組和代謝組進(jìn)行了Procrustes 分析，表明顯示微生物組學(xué)和代謝組學(xué)特征之間的正協(xié)同性（correlation = 0.386；P??= 0.001）。(c) 益生菌組第 0 周和第 12 周之間預(yù)測(cè)的差異神經(jīng)活性代謝物。p 值經(jīng) FDR 法校正，閾值 P < 0.05 表示顯著。
結(jié)論
本研究從腸道微生物菌群的角度闡明益生菌L.plantarum?P-8 在緩解成人的壓力、焦慮相關(guān)癥狀方面的機(jī)制。研究結(jié)果表明，益生菌誘導(dǎo)的腸道微生物菌群與人們的壓力、焦慮之間存在潛在聯(lián)系，腸腦軸（gut-brain axis）能夠參與緩解壓力相關(guān)的癥狀。益生菌的有益效果不僅取決于微生物多樣性的變化，還依賴于腸道宏基因組在SGB和功能基因水平的調(diào)節(jié)。
文獻(xiàn)下載：
https://international.biocloud.net/zh/article/detail/33511258
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