Nature | 胃口好不好，肠道菌群产生的神经递质说了算

神经递质，是神经调节中重要的信号分子，在化学突触传递中担当信使的特定化学物质。神经递质不仅与多种神经系统疾病密切相关，2020年Nature上的一项研究表明肠道菌群产生的神经递质物质酪胺与宿主的感知行为密切相关。

研究背景

动物与包括微生物在内的多种生物组成的复杂群落以共生、致病或互惠的关系共存。一些细菌产生具有生物活性的神经递质，这些递质被认为可以调节宿主神经系统的活动和行为。然而，这种微生物群-脑信号传导的机制基础及其生理相关性在很大程度上是未知的。该研究以线虫为研究对象，探索了共生菌在肠道生成的神经递质如何调控宿主感知决定行为的机制。

研究方法

组学方法：非靶向代谢组检测分析，细菌基因组测序分析；

其他方法：长期群体趋化性实验，分子建模，渗透避免试验，气味检测实验等；

研究结果

1.肠道细菌改变嗅觉行为

为了确定微生物影响宿主行为的模式，研究人员筛选了与野生线虫相关的非致病菌株，用来了解它们影响线虫嗅觉反应的能力。通过长期群体趋化性实验分析发现，在这些菌株上共同培养的雌雄同体对一组有吸引力的挥发性气味剂表现出强烈的吸引力，这与在标准菌株上生长的动物的行为相似，结合多种菌株培养实验发现，多个普罗维登西亚菌株（Providencia)调节秀丽隐杆线虫的辛醇厌恶。

用庆大霉素(抗生素)预处理的JUb39（Providencia alcalifaciens ）饲喂秀丽隐杆线虫，消除了辛醇调节。此外，将生长在OP50（E. coli food source）上的动物暴露于JUb39衍生的气味中，或将OP50生长的动物预先孵育于JUb39条件培养基中，都不会改变辛醇反应，这表明秀丽隐杆线虫必须摄入活的JUb39才能诱导辛醇调节。为了测试蠕虫肠道的定植是否驱动辛醇调节，研究人员用编码组成表达的mCherry荧光报告基因的质粒转化了OP50和JUb39。结果发现JUb39对蠕虫肠道有定殖作用，且定殖程度与对辛醇的反应决策有关。

■■ ■■ ■

辛醇调节由普罗维登菌摄入介导，而不是由营养线索介导

2.普罗维登菌产生酪胺

研究人员研究了普罗维登菌介导的辛醇调节的机制基础。辛醇的避免受到多种生物胺，包括酪胺（TA）、章鱼胺（OA）以及神经肽的广泛调节。TA是由酪氨酸(L-Tyr)通过酪氨酸脱羧酶(TDC;线虫中由tdc-1编码);TA随后通过酪胺β羟化酶(由tbh-1编码)转化为OA。研究发现在JUb39上生长的tdc-1突变体继续表现出辛醇调制，而tbh-1突变体表现出的调制减弱了。线虫产生多巴胺和血清素所需的酪氨酸羟化酶和色氨酸羟化酶的突变都不影响辛醇的调节。这些结果表明线虫产生的章鱼胺-而不是酪胺-对于JUb39介导的辛醇调节是部分必要的。

为了解释这些观察，研究人员假设JUb39可能产生在功能上补偿宿主tdc-1突变的酪胺。据报道，在OP50上生长的tdc-1突变蠕虫对稀释的(30%)辛醇表现出更快的厌恶反应，而这种反应可被外源酪胺抑制。为了更容易地与以前发表的工作中的数据进行比较，并深入了解JUb39改变的行为子程序，研究人员使用SOS分析进行了所有随后的辛醇行为实验。正如预期的那样，在SOS实验中，生长在OP50上的tdc-1突变体对30%辛醇的反应比野生型动物更快，这种增强的厌恶在JUb39上受到抑制。这些结果与细菌产生的TA在驱动感觉行为决策中弥补宿主来源TA缺失的概念是一致的。

通过非靶向代谢组分析发现，生长在OP50上的tdc-1突变体缺乏N-琥珀酰酪胺，以及在MS2分析的基础上出现的额外代谢物，这些代谢物似乎是酪胺衍生的。血清素的代谢基本未受干扰。当TDC-1突变虫子在JUb39上生长时，这些酪胺衍生代谢物就得到了恢复。在添加了稳定同位素标记为d2 - l -酪氨酸的JUb39上生长的tdc-1蠕虫的代谢组学分析证实了TA部分的从头生物合成。在没有秀丽隐杆线虫的情况下，没有检测到游离酪胺或酪胺结合物。结果说明JUb39与秀丽隐杆线虫联合产生酪胺，可以弥补tdc-1突变内源性酪胺产生的不足。

虽然以前在一些革兰氏阳性菌属中已经证明了细菌中酪胺的生物合成，但在革兰氏阴性菌(包括普罗维登菌)中产生似乎并不常见。补充L-Tyr可诱导革兰氏阳性菌株产生酪胺。SOS实验中发现在添加L-Tyr的培养基上增强了JUb39对辛醇的调节。tbh-1的突变完全抑制了辛醇的调节，而tdc-1的突变继续表现出强大的辛醇调节，这与研究人员在远程趋化分析中观察到的情况一致。二者双突变蠕虫的辛醇回避行为与只有tbh-1突变的蠕虫相似。这些结果表明，tbh-1突变体中辛醇调节减少的原因是宿主来源的章鱼胺的缺乏，而不是TBH-1的丢失导致酪胺的积累。野生型基因组tbh-1序列的表达挽救了tbh-1突变蠕虫的辛醇调节。与神经元章鱼胺释放在辛醇调节中的作用一致，神经元特异性cat-1囊泡单胺转运蛋白的动物突变体也缺乏辛醇调节。

■■ ■■ ■

普罗维登菌产生的TA弥补了秀丽隐杆线虫tdc-1的损失

3.细菌脱羧酶产生酪胺

生物胺通常由芳香族氨基酸和L-谷氨酸由真核生物和细菌中依赖于磷酸吡啶氧基(PLP)的II族芳香族酸脱羧酶(AADCs)产生。研究人员在摩嘉氏菌中发现了一个编码AADC的基因（以下简称ADCA），在编码Tyt1家族的酪氨酸渗透酶基因上游的操纵子中，与TyrDC和人GAD67的序列同源性分别约为29%和27%。ADCA同源物也存在于Providencia基因组中(包括在JUb39中)。结果表明Providencia编码至少两个可能产生酪胺的AADC。此外，研究人员通过缺失实验证明普罗维登菌的多个AADC产生的酪胺对于调节野生型线虫避免辛醇是必要的，也是充分的。

4.细菌性酪胺靶向感觉神经元

研究人员试图在宿主中确定普罗维登菌介导的辛醇调节的分子靶点。秀丽隐杆线虫头部两栖器官中的双侧ASH伤害性神经元先前被认为与感受辛醇有关。这些神经元表达多个TA和OA受体，这些单胺需要一部分受体来调节辛醇。在ASH神经元中表达的OA受体的基因中，octr-1突变但不是Ser3的突变取消了JUb39介导的辛醇调节，而不改变肠道定植的程度。观察到JUb39不会诱导毒力、应激或未折叠的蛋白反应基因的表达，并且仅对秀丽隐杆线虫的寿命有最小的影响。表明观察到的辛醇行为表型不太可能是由JUb39生长的动物先天免疫反应的变化引起的。

5.细菌酪胺会影响食物选择

接下来，研究人员研究了jub39介导的秀丽隐杆线虫厌恶嗅觉反应降低的生物学相关性。虽然许多革兰氏阴性肠道细菌产生包括辛醇在内的长链醇，但普罗维登菌是否产生这种化学物质尚不清楚。然而，JUb39和其他普罗维登菌株产生支链醇异戊醇(IAA)，当其浓缩时对秀丽隐杆线虫是厌恶的。与辛醇类似，对高浓度IAA的回避也是由ASH感觉神经元介导的。研究人员假设，减少对jub39产生的讨厌的酒精或其他气味的回避，可能会优先偏向jub39培养的秀丽隐杆线虫在食物选择试验中选择这些细菌。事实上，与op50生长的蠕虫相比，在JUb39上生长的动物更喜欢JUb39，在短期食物选择试验中，op50只显示出对JUb39的轻微偏好。在使用JUb39 ΔtyrDC::cmR ΔadcA以及octr-1和tbh-1突变体生长的动物中，对JUb39的偏好在很大程度上被消除了。这表明细菌TA的产生和宿主OA信号都是这种食物偏好所必需的。综上所述，这些结果表明，蠕虫肠道中由JUb39产生的TA通过宿主OA和OCTR-1 OA受体起作用，减少了由ASH神经元介导的对JUb39产生的厌恶信号的回避，并允许这些细菌优先选择。

■■ ■■ ■

普罗维登菌对辛醇回避的调节需要ASH感觉神经元中的OCTR-1 OA受体

研究结论

综上所述，该研究表明在秀丽隐杆线虫中，由肠道定植共生普罗维登菌产生的神经调节剂酪胺绕过了宿主酪胺生物合成的需要来操纵宿主的感觉决策。细菌产生的酪胺可能被宿主酪胺β-羟化酶转化为章鱼胺。章鱼胺反过来靶向脑灰痛觉神经元上的OCTR-1章鱼胺受体来调节厌恶的嗅觉反应。研究人员确定了酪胺生物合成所需的基因，并表明这些基因是调节宿主行为所必需的。进一步发现，被普罗维登菌定植的秀丽隐杆线虫在食物选择实验中优先选择这些细菌，这种选择偏差需要细菌产生的酪胺和宿主章鱼胺信号。研究结果表明，肠道微生物群产生的神经递质模仿同源宿主分子的功能，以超越宿主对感官决策的控制，从而促进宿主和微生物的适应性。

科研延伸

迈维代谢通过自建数据库，一次性对包括酪胺在内的55种神经递质进行绝对定量检测。覆盖广、定量准，适合各类神经递质相关疾病以及肠道微生物与宿主互作研究。

热门文章分享

客服微信：metware888

咨询电话：027-62433042

邮箱：support@metware.cn

网址：www.metware.cn

我就知道你“在看”