喜訊！天昊微生物項(xiàng)目文章登陸國際精神疾病領(lǐng)域頂級期刊《Molecular Psychiatry》

發(fā)稿時(shí)間：2020-04-27來源：天昊生物

西安交通大學(xué)第一附屬醫(yī)院近期在國際精神疾病領(lǐng)域頂級期刊《分子精神學(xué)》（Molecular Psychiatry）上發(fā)表了移植未經(jīng)藥物治療的精神分裂癥患者腸道微生物會(huì)導(dǎo)致受體小鼠出現(xiàn)精神分裂癥相關(guān)異常行為和犬尿氨酸代謝失調(diào)的研究文章，在這項(xiàng)研究中天昊生物有幸承擔(dān)了微生物測序相關(guān)工作。在恭喜客戶發(fā)表高分文章的同時(shí)，我們想跟大家分享一下這篇文章的研究思路。英文題目：Transplantation of microbiota from drug-free patients with schizophrenia causes schizophrenia-like abnormal behaviors and dysregulated kynurenine metabolism in mice中文題目：移植未經(jīng)藥物治療的精神分裂癥患者腸道微生物會(huì)導(dǎo)致受體小鼠出現(xiàn)精神分裂癥相關(guān)異常行為和犬尿氨酸代謝失調(diào)期刊名：Molecular Psychiatry影響因子：11.973發(fā)表單位：西安交通大學(xué)第一附屬醫(yī)院
  

研究概要

越來越多的證據(jù)表明，腸道菌群通過菌群-腸-腦軸在精神分裂癥的發(fā)病機(jī)制中起作用。這項(xiàng)研究試圖調(diào)查將未經(jīng)藥物治療的精神分裂癥患者的腸道菌群移植到SPF小鼠是否會(huì)導(dǎo)致小鼠出現(xiàn)精神分裂癥相關(guān)異常行為，結(jié)果表明，將精神分裂癥患者的糞便菌群移植到SPF小鼠中會(huì)引起其行為異常，例如精神運(yùn)動(dòng)過度活躍，學(xué)習(xí)和記憶受損，這些小鼠還顯示，與接受健康對照組糞便的受體小鼠相比，接受精神分裂癥患者糞便的小鼠的外周組織和大腦中色氨酸降解的犬尿氨酸-犬尿酸通路富集，前額葉皮質(zhì)的基礎(chǔ)細(xì)胞外多巴胺和海馬區(qū)的5-羥色胺增加。此外，移植患者糞便微生物群的小鼠的結(jié)腸腔內(nèi)濾液使培養(yǎng)肝細(xì)胞和前腦皮質(zhì)切片中的尿酸合成和犬尿氨酸轉(zhuǎn)氨酶II活性上調(diào)。60種供體來源的細(xì)菌在移植患者和對照組糞便微生物群的小鼠之間顯示出顯著差異，突出了78種不同富集的功能模塊，包括色氨酸生物合成功能?？傊覀兊难芯勘砻?，腸道微生物群組成的異常部分通過色氨酸-犬尿氨酸代謝的調(diào)控參與了精神分裂癥的發(fā)病。

 

研究背景

精神分裂癥是一種慢性嚴(yán)重精神障礙，估計(jì)終生患病率為1％，是導(dǎo)致殘疾的全球主要原因之一。盡管精神分裂癥給公共衛(wèi)生帶來沉重負(fù)擔(dān)，但潛在的發(fā)病機(jī)理的機(jī)制尚未完全了解。數(shù)十年的研究表明，遺傳因素和環(huán)境因素均與精神分裂癥的發(fā)展相關(guān)。腸道微生物組是由遺傳和環(huán)境因素共同調(diào)節(jié)的腸-腦軸的關(guān)鍵組成部分，它很可能在宿主生理學(xué)和疾病病理生理學(xué)方面協(xié)同遺傳和環(huán)境效應(yīng)。這些腸道微生物也被視為影響神經(jīng)內(nèi)分泌功能和大腦發(fā)育的重要因素。有趣的是，精神分裂癥的幾種環(huán)境危險(xiǎn)因素，包括剖宮產(chǎn)，早期生活壓力，饑荒期間母親營養(yǎng)不良以及孕產(chǎn)婦的免疫激活，都對腸道微生物組產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。 因此，對腸道微生物組的作用進(jìn)行評估對于全面了解精神分裂癥的發(fā)病機(jī)理和發(fā)展是必要的。微生物研究技術(shù)的最新進(jìn)展，例如糞菌移植（FMT）和微生物組關(guān)聯(lián)研究（MWAS），是揭示腸道菌群在肥胖，糖尿病，神經(jīng)系統(tǒng)和神經(jīng)發(fā)育疾病中作用的重要工具。在過去的十年中，腸道菌群在精神障礙的病理生理中的潛在作用引起了人們的廣泛關(guān)注。盡管據(jù)報(bào)道一些微生物分類群與精神分裂癥和狂躁癥有關(guān)，但這些微生物豐度變化的功能性潛在后果仍不清楚。最近，使用MWAS策略我們觀察到與健康對照組相比，精神分裂癥患者的腸道微生物組受到干擾（未發(fā)表的數(shù)據(jù)），然而，需要進(jìn)一步的研究以揭示腸道微生物的組成變化僅僅是生理和生活方式失調(diào)的結(jié)果，還是在精神分裂癥的病理生理中發(fā)揮功能性作用。最近的一項(xiàng)研究報(bào)告說，來自精神分裂癥患者的腸道微生物組在無菌（GF）的受體小鼠中誘導(dǎo)了精神分裂癥相關(guān)的行為，表明腸道微生物群失調(diào)對精神分裂癥病理心理學(xué)有貢獻(xiàn)。移植的外來微生物群相對容易棲息在無菌（GF）小鼠的腸道內(nèi)，因?yàn)閹缀鯖]有來自固有微生物的干擾。此外，已知無菌（GF）小鼠表現(xiàn)出腸道和大腦發(fā)育失調(diào)，并表現(xiàn)出異常行為，例如神經(jīng)傳遞失調(diào)，運(yùn)動(dòng)過度和焦慮樣行為減少。先前的報(bào)道表明，具有這種缺陷的小鼠由于其固有的病理生理學(xué)特性，可能不是研究微生物群對神經(jīng)化學(xué)，神經(jīng)傳遞和行為影響的理想模型。因此，本研究選擇檢查人類微生物群對具有正常大腦發(fā)育和功能的無特定病原體（SPF）小鼠的影響。由于免疫/炎癥，代謝和神經(jīng)內(nèi)分泌系統(tǒng)的系統(tǒng)性損傷是精神分裂癥的標(biāo)志性癥狀，并且此類系統(tǒng)與腸道菌群有關(guān)，因此可以想象這些微生物在精神分裂癥中起作用。腸道微生物群可以調(diào)節(jié)下丘腦-垂體-腎上腺（HPA）軸，控制腎上腺皮質(zhì)激素和皮質(zhì)酮的釋放，而皮質(zhì)酮在精神分裂癥患者中常常是異常的。炎癥假說表明，患者體內(nèi)細(xì)胞因子和炎癥介質(zhì)的紊亂以及精神分裂癥的臨床前模型會(huì)驅(qū)動(dòng)疾病癥狀的發(fā)展。細(xì)菌分解色氨酸代謝產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物可在腸道局部和中樞神經(jīng)系統(tǒng)遠(yuǎn)端調(diào)節(jié)炎癥和疾病發(fā)展。此外，腸道中的細(xì)菌將食物來源的色氨酸分解為一系列神經(jīng)活性代謝產(chǎn)物，例如犬尿氨酸（Kyn），犬尿酸（Kyna），喹啉酸（Quia）。這些小的分解代謝產(chǎn)物能夠遠(yuǎn)程影響中央谷氨酸和5-羥色胺系統(tǒng)。此外，腸道菌群還調(diào)節(jié)大腦中去甲腎上腺素，多巴胺和5-羥色胺的代謝。結(jié)腸腸嗜鉻細(xì)胞中5-羥色胺的生物合成受原生孢子形成細(xì)菌的控制，γ-氨基丁酸（GABA）由谷氨酸經(jīng)一系列乳酸桿菌和雙歧桿菌物種代謝。因此，這些神經(jīng)遞質(zhì)可能是腸道菌群與導(dǎo)致精神分裂癥的腦病理生理學(xué)之間的潛在介體。 由于這些途徑和分子在精神分裂癥的發(fā)病機(jī)理和進(jìn)程中具有至關(guān)重要的作用，因此有必要研究哪些調(diào)節(jié)它們的微生物可能參與精神分裂癥的心理病理過程。在這項(xiàng)研究中，我們將精神分裂癥患者的腸道菌群移植到SPF小鼠，我們的結(jié)果提供了進(jìn)一步的證據(jù)，即腸道微生物組的改變會(huì)促進(jìn)精神分裂癥相關(guān)癥狀，如精神運(yùn)動(dòng)亢進(jìn)和學(xué)習(xí)記憶力減退。我們對HPA軸，促炎性細(xì)胞因子，色氨酸代謝途徑和神經(jīng)遞質(zhì)系統(tǒng)的分析表明，色氨酸代謝失調(diào)，尤其是激活的Kyn途徑很可能是微生物引起的小鼠精神分裂癥樣行為異常的原因。

 

主要研究方法

FMT：將雄性C57BL/6J小鼠用于所有實(shí)驗(yàn)，并在標(biāo)準(zhǔn)SPF環(huán)境下飼養(yǎng)。 根據(jù)先前研究中描述的方法，從11名精神分裂癥患者（SCZ）和10名人口統(tǒng)計(jì)學(xué)匹配的健康對照（HC）中收集糞便樣本然后進(jìn)行微生物菌群移植。簡而言之，將糞便懸浮在甘油-PBS液體中，收集后立即離心。混合來自患者或健康對照的含有微生物群的上清液，并用于移植。小鼠腸道菌群的消耗方法參考了之前兩項(xiàng)研究中描述的方法。最后一次飼喂抗生素后48小時(shí)，將小鼠隨機(jī)分為兩組，分別口服灌胃患者或?qū)φ战M的微生物群懸液（10μl/g體重），持續(xù)3周以重建腸道菌群（以下稱為SCZ小鼠和HC小鼠）。行為測試：所有行為測試均在糞便移植后24小時(shí)進(jìn)行。使用視頻計(jì)算機(jī)跟蹤系統(tǒng)對結(jié)果進(jìn)行分析，或者通過手動(dòng)觀察對結(jié)果進(jìn)行評分。在兩個(gè)獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行了兩節(jié)行為測試： 一種按曠場實(shí)驗(yàn)（OFT），交互社會(huì)互動(dòng)測驗(yàn)（RSIT），三箱社交測驗(yàn)（TCST），新奇事物識(shí)別測驗(yàn)和強(qiáng)迫游泳測驗(yàn)的順序進(jìn)行；另一個(gè)按高架迷宮，巴恩斯迷宮（BM）和懸尾實(shí)驗(yàn)的順序進(jìn)行。給另外一組小鼠注射MK-801（0.2 mg/kg body weight, i.p.）或鹽水，并且它們在30分鐘后進(jìn)行30分鐘的曠場實(shí)驗(yàn)（OFT）。小鼠組織和糞便中的測定：在小鼠實(shí)驗(yàn)期間的幾個(gè)時(shí)間點(diǎn)收集糞便顆粒（圖S1）。 對糞便樣本DNA進(jìn)行宏基因組測序和16S rRNA擴(kuò)增子測序。行為測試后24小時(shí)從小鼠體內(nèi)解剖肝臟，脾臟和腸組織，并從小鼠大腦解剖前額葉皮質(zhì)（PFC），紋狀體和海馬。分別采用ELISA、超高效液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜法和qPCR測定上述組織中幾種代謝產(chǎn)物的濃度和色氨酸-Kyn-Kyna途徑中幾種代謝酶的mRNA水平。用ELISA試劑盒和Luminex免疫分析試劑盒檢測頸部標(biāo)本血清內(nèi)毒素、激素、色氨酸代謝產(chǎn)物和細(xì)胞因子。培養(yǎng)細(xì)胞和腦切片的檢測：在FMT結(jié)束時(shí)從SCZ小鼠和HC小鼠的結(jié)腸以及另外一組正常SPF小鼠的結(jié)腸中收集內(nèi)容物。每組6只小鼠的混合結(jié)腸腔內(nèi)容物以125微升/毫克的濃度懸浮于Hank平衡鹽溶液中，12000×g離心10min，用來自其上清液的結(jié)腸腔濾液（CLF）對體外培養(yǎng)的細(xì)胞和腦片進(jìn)行刺激。將腦切片在含有SPF，HC或SCZ小鼠結(jié)腸腔濾液（CLF）或合并了PF-04859989和SCZ小鼠結(jié)腸腔濾液（CLF）或單純含有PF-04859989的培養(yǎng)基中培養(yǎng)24小時(shí)。從上述SPF環(huán)境中飼養(yǎng)的雄性C57BL/6J SPF小鼠（7-8周齡）中分離出混合結(jié)腸細(xì)胞和肝細(xì)胞，人永生化肝細(xì)胞（ATCC^?CRL-2706?）和人結(jié)腸癌細(xì)胞系HT-29（ATCC^?HTB-38?）購自美國模式培養(yǎng)物集存庫。為了確定結(jié)腸腔濾液（CLF）對酶mRNA和活性的影響，將上述細(xì)胞在含有來自SPF，HC或SCZ小鼠結(jié)腸腔濾液（CLF）的培養(yǎng)基中在37℃，5％CO₂條件下孵育24小時(shí)。

研究結(jié)果

● 糞菌移植可部分重現(xiàn)SCZ癥狀

我們通過給SPF C57BL/6小鼠提供10天的抗生素混合物，耗盡其體內(nèi)的微生物群，然后將人SCZ患者和HCs的糞便灌胃給小鼠（圖S1）。對糞便DNA濃度和糞便16S rRNA基因拷貝數(shù)的定量分析表明，抗生素治療消除了大多數(shù)腸道微生物（圖S2a，b）。主坐標(biāo)分析（PCoA）顯示，F(xiàn)MT后即刻、10天和14天的腸道微生物組與基線有顯著差異（圖S2c），這表明人類微生物很容易棲息在小鼠腸道中，并在某種程度上存活了至少2周。此外，接受SCZ患者糞便的小鼠體內(nèi)的細(xì)菌群落與接受HCs糞便的小鼠體內(nèi)的細(xì)菌群落是分開的。整個(gè)過程中體重增長，促炎細(xì)胞因子水平，血清中基礎(chǔ)皮質(zhì)酮和內(nèi)毒素的含量在兩組之間沒有顯著差異，我們觀察到主要器官的總體組織學(xué)無明顯變化（圖S3）。對SCZ和HC小鼠進(jìn)行了大量的行為測試（圖1a）。與基線糞便相比，隨著移植后時(shí)間的延長，移植后收集的糞便微生物主要成分分離度降低，香農(nóng)微生物多樣性差異減小（圖S2d），表明小鼠的人源化腸道微生物群逐漸消失。基于此，我們在FMT后10天內(nèi)完成了行為測試。SCZ小鼠在30分鐘的OFT測試中表現(xiàn)出運(yùn)動(dòng)過度行為，包括升高的飼養(yǎng)（圖1b）和增加的行進(jìn)距離（圖1c，d）。當(dāng)SCZ和HC小鼠被放置在監(jiān)視箱中時(shí)，它們的初始活動(dòng)水平是相似的，但SCZ小鼠在正常的10分鐘適應(yīng)期后仍繼續(xù)過度運(yùn)動(dòng)，即使在30分鐘后也沒有顯示出明顯的運(yùn)動(dòng)活性下降（圖1e）。在另一種由MK-801誘導(dǎo)的SCZ小鼠模型中，進(jìn)一步研究了腸道菌群對運(yùn)動(dòng)的影響，結(jié)果表明MK-801和SCZ患者的腸道菌群均對運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生顯著影響，并且在MK-801給藥后，SCZ小鼠的距離仍比HC小鼠增加（圖1f）。此外，SCZ小鼠在三箱社交測驗(yàn)（TCST）中表現(xiàn)出更多的探索行為，例如延長的總探測時(shí)間（圖S4a）和長距離旅行（圖S4b），表明精神運(yùn)動(dòng)亢進(jìn)。在開放式實(shí)驗(yàn)箱中的交互社會(huì)互動(dòng)中，與HC小鼠相比，SCZ小鼠對之間的交互作用的持續(xù)時(shí)間和頻率顯著提高（圖1g，h）。巴恩斯迷宮（BM）測試顯示，SCZ小鼠顯示出空間學(xué)習(xí)和記憶受損，因?yàn)樗鼈冊谟?xùn)練過程中定位逃逸孔的等待時(shí)間更長（圖1i），并且在探針測試中在目標(biāo)象限中花費(fèi)的時(shí)間更少（圖1j）。此外，一項(xiàng)新的物體識(shí)別測試也表明，SCZ小鼠對先前探索過的物體記憶受損（圖1k）。

圖1 SCZ患者的腸道菌群誘導(dǎo)小鼠運(yùn)動(dòng)過度行為并損害學(xué)習(xí)和記憶

● SCZ小鼠色氨酸代謝的Kyn途徑上調(diào)

色氨酸代謝的微生物調(diào)節(jié)是腸道菌群調(diào)節(jié)大腦和行為的關(guān)鍵機(jī)制。飲食中的色氨酸主要通過兩種途徑吸收和分解代謝：Kyn途徑和5-羥色胺（5-HT）途徑（圖2a）。首先，我們確定色氨酸向Kyn和5-HT的外周分解代謝是否受到外來SCZ菌群的腸道定植的干擾。隨著移植小鼠腸道微生物群逐漸消失，我們在兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)（即FMT之后和行為試驗(yàn)之后（移植后10天））研究了色氨酸代謝產(chǎn)物。在SCZ小鼠中，F(xiàn)MT后血清色氨酸立即下降，行為試驗(yàn)后繼續(xù)下降（圖2b）。在腸，脾和肝中，與HC小鼠相比，SCZ小鼠的色氨酸水平降低，這與在血清中觀察到的結(jié)果一致（圖S5a）。在FMT結(jié)束時(shí)，血清5-HT水平下降（圖S5b），而Kyn上升（圖2c），但在10天后恢復(fù)到正常水平。相對于HC小鼠，SCZ小鼠的腸道，脾臟和肝臟中也存在較高的Kyn（圖S5c）。由于Kyn代謝包括Kyna和3-羥基犬尿氨酸（3-HK，圖2a）兩個(gè)獨(dú)立的途徑，因此在小鼠中測量了血清和周圍組織中Kyna和3-HK的濃度，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與對照組相比，SCZ小鼠的血清，肝臟，結(jié)腸和脾臟中的Kyna水平持續(xù)升高（圖2d和S5d），而外周組織3-HK含量無差異（圖S5e）。這些數(shù)據(jù)表明，SCZ微生物群的定殖僅沿Kyn–Kyna途徑促進(jìn)了色氨酸的代謝，并抑制了5-HT途徑。

色氨酸代謝受幾種限速酶的控制，其中一些酶受腸道微生物群的調(diào)節(jié)，我們發(fā)現(xiàn)，在SCZ小鼠的腸道、肝臟和脾臟中，催化Kyn產(chǎn)生的吲哚胺2,3-雙加氧酶1（IDO-1）和色氨酸2,3-雙加氧酶2（TDO-2）的mRNA水平高于正常水平（圖2e和S5f）。在催化Kyn轉(zhuǎn)氨為Kyna的四種犬尿氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶（（KAT I-KAT IV）中，只有KAT II在SCZ小鼠的外周組織中過度表達(dá)（圖2f和S5g–i）。與腸道中5-HT的下調(diào)一致，色氨酸羥化酶1（TPH-1）在SCZ小鼠的腸壁中表達(dá)不足（圖S5j），相反，控制3-HK代謝途徑的犬尿氨酸3-單加氧酶（KMO）保持不變，與不受干擾的3-HK代謝一致（圖S5k）。

令我們驚訝的是，一些已知的IDO和TDO表達(dá)調(diào)節(jié)劑，例如促炎細(xì)胞因子，LPS和皮質(zhì)酮，在SCZ小鼠中并未發(fā)生明顯變化（圖S3）。因此，我們假設(shè)腸道微生物群來源的因子，例如可溶性代謝產(chǎn)物，是導(dǎo)致色氨酸-Kyn-Kyna代謝途徑改變的原因。因此，我們檢測了SCZ小鼠結(jié)腸腔內(nèi)容物的濾液，并評估了它們對培養(yǎng)的小鼠原代肝細(xì)胞和/或混合小鼠結(jié)腸細(xì)胞中這些酶的活性及其基因表達(dá)水平（IDO1、TDO2、KAT1-4和TPH1）的影響。有趣的是，來自SCZ小鼠的結(jié)腸腔內(nèi)濾液（CLF）顯著促進(jìn)了肝細(xì)胞和結(jié)腸細(xì)胞中IDO-1的活性和IDO1 mRNA的轉(zhuǎn)錄（圖2g和S6a）；SCZ小鼠的CLFs上調(diào)了培養(yǎng)的小鼠肝細(xì)胞中的KAT活性和KAT2 mRNA，但未上調(diào)結(jié)腸細(xì)胞中的KAT（圖2h和S6b）。此外，我們評估了CLFs在人類永生化肝細(xì)胞（CRL2706）和結(jié)腸上皮細(xì)胞（HT-29）中的作用，同樣，來自SCZ小鼠的CLF在兩種人類細(xì)胞類型中均顯著促進(jìn)IDO1表達(dá)，僅在肝細(xì)胞中顯著促進(jìn)KAT2表達(dá)（圖2i）。對結(jié)腸細(xì)胞或小鼠肝細(xì)胞表達(dá)的TDO-2和TPH-1的mRNA水平無明顯影響（圖S6c，d）。

圖2 移植了SCZ患者糞便的受體小鼠的外周組織色氨酸代謝受到干擾

● SCZ小鼠大腦中Kyn–Kyna代謝升高和神經(jīng)遞質(zhì)改變

外周組織中的色氨酸和Kyn能夠通過血腦屏障影響腦內(nèi)穩(wěn)態(tài)。因此，在外周組織中的水平可影響其在腦中的下游代謝，并對中樞神經(jīng)免疫和神經(jīng)進(jìn)行性過程產(chǎn)生影響。因此，我們進(jìn)一步研究了腸道菌群對中樞Kyn代謝和神經(jīng)遞質(zhì)代謝的影響。行為測試后我們測量了前額葉皮質(zhì)（PFC），紋狀體和海馬中的色氨酸，Kyn，Kyna，3-HK，5-HT及其主要代謝物5-羥基-3-吲哚乙酸（5-HIAA），多巴胺（DA）及其代謝物羥基苯乙酸（DOPAC）和高香草酸（HVA），興奮性氨基酸谷氨酸和抑制性氨基酸4-氨基丁酸（GABA）的水平（表S2）。我們發(fā)現(xiàn)，在所有三個(gè)區(qū)域中，Kyn和Kyna的濃度均持續(xù)升高，而前額葉皮質(zhì)（PFC）和紋狀體中的3-HK降低且DA增加，紋狀體和海馬中5-HT增加，PFC中的谷氨酸和色氨酸增加（圖3a-c和S7）。Kyna而不是3-HK與它的前體Kyn高度正相關(guān)，前體Kyn可以從血液自由進(jìn)入大腦（相關(guān)系數(shù)：0.831-0.909；圖3a-c中最右邊的圖）。在每個(gè)大腦區(qū)域內(nèi)，這些色氨酸代謝產(chǎn)物與神經(jīng)遞質(zhì)之間存在著許多顯著的相關(guān)性（圖S8），其中最值得注意的是，Kyn / Kyna水平與PFC中的谷氨酸，紋狀體中的DA以及海馬中的谷氨酸和色氨酸呈正相關(guān)（圖S7），中樞色氨酸代謝產(chǎn)物和神經(jīng)遞質(zhì)也與小鼠行為相關(guān)（表S1），此外，我們發(fā)現(xiàn)，PFC中的Kyna與認(rèn)知功能之間顯示出最強(qiáng)的負(fù)相關(guān)性（圖3d和e）。

外周組織色氨酸，Kyn或Kyna與前額葉Kyn或Kyna以及血清Kyna和紋狀體3-HK之間存在顯著相關(guān)性（圖S9a-g和表S3）。其次，我們比較了色氨酸代謝途徑中限速酶在SCZ小鼠和HC小鼠皮質(zhì)的表達(dá)。我們發(fā)現(xiàn)，與HC小鼠相比，SCZ小鼠在三個(gè)腦區(qū)的KAT2 mRNA轉(zhuǎn)錄增加，海馬區(qū)的TPH1 mRNA轉(zhuǎn)錄增加（圖3f，g），而IDO1、TDO2、KAT1、KAT3、KAT4和KMO的表達(dá)無顯著變化（圖10a-f）。為了進(jìn)一步確定腸道菌群對中樞Kyn代謝的影響是否直接，我們評估了CLFs對器官型皮質(zhì)切片培養(yǎng)物中色氨酸–Kyn– Kyna代謝途徑和神經(jīng)遞質(zhì)水平的影響。在來自SCZ，HC或SPF小鼠的CLF存在下，將小鼠前腦皮質(zhì)切片與腹側(cè)被蓋區(qū)/黑質(zhì)體（VTA / SN）復(fù)合體離體共培養(yǎng)。與來自SPF或HC小鼠的CLF相比，來自SCZ小鼠的CLF顯著促進(jìn)了KAT2表達(dá)和Kyna合成，但降低了腦切片中的3-HK水平（圖3h-j）。此外，SCZ小鼠的CLFs上調(diào)了這些腦片中的基礎(chǔ)DA水平（圖3k），而CLFs對腦片中KMO的表達(dá)沒有顯著影響（圖S10g）。有趣的是，KAT-II酶抑制劑PF-04859989顯著抑制SCZ小鼠CLFs對Kyna和DA濃度的調(diào)節(jié)作用，因?yàn)樗@著降低SCZ-CLFs處理的切片中Kyna和DA的濃度（圖3i，k），然而，PF-04859989對SCZ-CLFs誘導(dǎo)的腦切片中3-HK的減少?zèng)]有顯著影響（圖3j）。

圖3  SCZ患者的腸道菌群干擾了中樞色氨酸的代謝和神經(jīng)遞質(zhì)

● SCZ小鼠的腸道微生物改變及其與行為和神經(jīng)遞質(zhì)改變的關(guān)系

為了鑒定導(dǎo)致SCZ小鼠中這些神經(jīng)化學(xué)物質(zhì)和行為改變的微生物，我們對來自SCZ和HC小鼠的54份糞便樣本以及人類供體（患者和對照）的糞便樣本進(jìn)行了宏基因組測序。除去低質(zhì)量序列和小鼠序列后，每只小鼠平均獲得了7.49 Gb的人源細(xì)菌基因組測序數(shù)據(jù)（表S4）。種水平上的分類學(xué)組成以宏基因組操作分類單位（mOTU）為特征。種水平的mOTU的PCoA證實(shí)了SCZ和HC小鼠之間群落明顯分離（圖4a）。在供體糞便中存在的261個(gè) mOTU中，受體小鼠的腸內(nèi)存在112 個(gè)mOTU，SCZ和HC小鼠之間有55個(gè) mOTU相對豐度有顯著差異（圖4b和表S5）。在這些差異富集的mOTU中，最終確定了30個(gè)mOTU，包括Parabacteroides distasonis、Parabacteroides merdae、Bacteroides eggerthii、Odoribacter splanchnicus、Fusobacterium ulcerans、Odoribacter splanchnicus、Clostridium scindens、Sutterella wadsworthensis等（圖4c）。來自差異富集的mOTU的功能基因被注釋到KEGG數(shù)據(jù)庫中， 78個(gè)KEGG模塊在兩組小鼠之間的相對豐度上有顯著變化（圖4d和表S6）。

圖4 移植了SCZ患者糞便的受體小鼠腸道微生物組和功能改變

 

有趣的是，色氨酸的生物合成功能在HC小鼠的糞便微生物組中顯著豐富，這與SCZ小鼠中色氨酸水平的降低相一致。此外，兩組小鼠之間大多數(shù)差異富集的mOTU均與色氨酸或其代謝產(chǎn)物，或大腦和血清中的神經(jīng)遞質(zhì)顯著相關(guān)（圖5），突出了腸道細(xì)菌對大腦色氨酸代謝和神經(jīng)化學(xué)物質(zhì)的調(diào)節(jié)作用。

圖5  SCZ小鼠中富集或減少的mOTU與腦中色氨酸及其代謝產(chǎn)物和神經(jīng)遞質(zhì)的關(guān)聯(lián)

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