编译：依然，编辑：小菌菌、江舜尧。
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导读
在动物模型中，肠道微生物群被认为与认知损伤有关。这篇研究作者在肥胖的情况下来探索肠道微生物群和记忆域的关系。一组与短期记忆、工作记忆、海马和大脑额叶区域体积相关的特定微生物群谱在肥胖和非肥胖的受试者中存在显著差异。血浆和粪便中芳香氨基酸、其分解代谢产物和蔬菜衍生化合物的水平纵向上与短期记忆和工作记忆有关。从功能上讲，来自人类肥胖受试者的微生物菌群移植导致了小鼠记忆分数的下降，人类的这一特征与受体小鼠的特征一致。对小鼠内侧前额叶皮质的RNA测序显示，短期记忆与芳香氨基酸通路、炎症基因和细菌种群相关。这些结果突出了以肠道微生物群为靶点，尤其是在肥胖症患者中治疗记忆障碍的潜在治疗价值。
原名：Obesity Impairs Short-Term and Working Memory through Gut Microbial Metabolism of Aromatic Amino Acids
译名：肥胖通过肠道微生物代谢芳香氨基酸损害短期记忆和工作记忆
期刊：Cell Metabolism
IF：21.567
发表时间：2020.10
通讯作者：Rafael Maldonado& Jose´ Manuel Ferna´ ndez-Real
作者单位：西班牙赫罗纳Josep Trueta大学医院
图文摘要
1 肠道宏基因组分析揭示了与记忆分数相关的细菌基因功能和物种对116名中年受试者进行了记忆功能评估(肥胖组65人，非肥胖组51人;表1)。根据加州语言学习测试、即时回忆(CVLT-IR)、加州言语学习测试、短延迟自由回忆(CVLT-SDFR)和总数字Span (TDS)分别计算得分(图1A、1B和S1A），作者观察了肥胖受试者在上述方面的损伤。使用DESeq2 对受试者的微生物生态系统进行认知评分，并使用患者健康问卷(PHQ)-9进行评估(图1C-1F、S1B和S1C表S1A–S1F)。常见物种，如厚壁菌门的Clostridium sp. 27_14, Clostridiumsp. CAG:230与学习(CVLT-SDFR[图1C]、语言记忆（CVLT-IR[图S1B])及工作记忆(TDS图1D)呈正相关。相反，在拟杆菌门(Bacteroides fragilis CAG:558, Bacteroides sp. 43_46, Bacteroides caccae CAG:21, Bacteroides sp. HMSC067B03, 和 Bacteroides sp. AR20)和变形杆菌门(Citrobacter freundii, Enterobacter cloacae, Salmonella enteric 和 Klebsiellaaerogenes)中，发现肠道微生物群和记忆分数呈负相关。不仅微生物群的组成与记忆有关，宏基因组功能也与这种认知特征相关(图1E、1F和S1C;表S1D-S1F、S2G、S2H、S3G、S3H)。与维生素B代谢相关的细菌功能，例如核黄素、维生素B6、叶酸和维生素B12与所有记忆域呈负相关(在图1E、1F和S1以及表S1D-S1F中以黑色突出显示)。细菌参与硫胺(维生素B1)代谢的功能也与低记忆分数有关。与此同时，在记忆力得分较低的受试者中发现血浆硫胺水平明显较低。与几个记忆域相关的其他相关宏基因组功能包括与AAA代谢、单碳代谢和内源性大麻素信号传导相关的功能(在图1E、1F和S1C and in表S1D-S1F中突出显示)，将在下面进一步讨论。当作者分别评估肥胖和非肥胖受试者之间的微生物群关联时(图1G-1N和S1D - S1G;表S1G-S1R、S2C-S2F、S3C-S3F)，作者发现在非肥胖受试者中，有几种Prevotella sp.与非肥胖受试者的语言记忆呈正相关(图1G和S1D;表S1G, S1O, S2C和S3C)，而Eubacterium和Clostridium sp在肥胖受试者中显示了类似的关联(图1I和S1E;表S1I, S1Q, S2D)。属于变形菌门的细菌在非肥胖和有肥胖的受试者中有相似的负相关，但在肥胖受试者中优先(图1G和1I；表S1I和S3D)。关于工作记忆，作者在非肥胖受试者中观察到Selenomonadaceae, Lactococcus sp, 和Colinsella (图1K；表S1K、S2E和S3E)，而在肥胖者中观察到Eubacterium sp, Ruminococcus sp, Clostridium sp,和 Faecalibacterium sp. CAG:74 (图1M；表S1M、S2F和S3F)。与硫胺素相关的细菌在肥胖受试者中更明显(图1J和1N；表S1J、S1N、S2J、S2L、S3J和S3L)，它们特别容易受到硫胺素缺乏的影响。总之，厚壁菌门的几个物种(Clostridium, Ruminococcus, Eubacterium属和 Selenomonadaceae科)与记忆分数呈正相关。拟杆菌门和变形菌门的物种主要与记忆分数呈负相关。
图1.与记忆评分和调节体重状态相关的特征微生物群分类和功能概况。肥胖者和非肥胖者的总数字跨度(TDS) (A)和加利福尼亚言语学习短暂延迟自由回忆(CVLT_SDFR)(B)方框图，组间差异用Wilcoxon检验进行分析。肥胖者和非肥胖者CVLT_SDFR(C)和TDS(D)相关的不同细菌丰度的火山图。肥胖者和非肥胖者CVLT_SDFR (E)和TD)(F)相关的KEGG细菌基因显著表达的曼哈顿样图。肥胖者和非肥胖者CVLT_SDFR和TDS测试的分类学和功能相关性(G-N)。
2 肥胖与非肥胖受试者的脑结构与肠道微生物和细菌功能的差异在对年龄、体重指数、性别、总颅内体积和PHQ-9进行调整后，所有受试者的语言和学习记忆与左右海马体的体积相关，工作记忆与右额下眶体积相关 (图2A)。在非肥胖受试者中，虽然在额叶区域没有发现显著的关联，但海马的关联呈阳性(图2B-2D)。相反，工作记忆(TDS)与所有受试者的左侧FIO体积呈正相关(图2A)，与非肥胖受试者的其他额叶区域呈正相关(图2B、2E和2F)。这些发现强调了语言记忆和工作记忆涉及的不同大脑结构，并与之前将语言记忆表现与海马体等前额叶和颞叶大脑特征研究结果一致。有趣的是，作者发现几种Roseburia sp.与语言记忆呈正相关，并与左海马的调整体积直接相关，而Bacteroides sp.与语言记忆分数和左海马的调整体积也呈负相关(图2G;表S5A)。另一方面，Acetitomaculumruminis 与工作记忆和右侧FIO区的调节体积有关(图2H；表S5D)，而几种拟杆菌属(Bacteroides sp.)则与言语记忆和工作记忆以及左侧海马区和右侧FIO区的调整体积呈负相关(图2H；表S5A和S5D)。我们还发现几种细菌功能与记忆分数和调整后的容量(正负)一致，如图2I和表S5B和S5E中的粗体所示。值得注意的是，与海马体体积相关的宏基因组功能也与语言记忆相关，而与FIO体积相关的宏基因组功能也与工作记忆一致。当分别评估肥胖和不肥胖的受试者时，发现与语言和工作记忆显著相关的几种细菌功能也与未肥胖的受试者调整后的左海马体(图2K)和右FIO体积(图2L)相关(粗体显示)。值得注意的是，在肥胖受试者中没有发现宏基因组功能和这些大脑容量之间的关联。
图2 肠道微生物群与大脑结构相关。热图显示肥胖(A)和非肥胖(B)偏相关性(调整年龄、性别、体重指数、教育多年,PHQ-9,和颅内总量[TIV])在TDS和CVLT_SDFR测试和受试者脑容量。在肥胖个体中没有发现统计上显著的关联，也没有显示出来。(C、D、E、F)控制上述协变量后，左侧海马区体积与CVLT_SDFR(C、D)呈正相关，而右额下眶体积与TDS(E、F)呈正相关。(G和H)不同细菌丰度火山图与左海马体积(G)和右额下眶体积(H)相关。(I和J)与左海马体积(I)和右额下眶体积(J)相关的显著表达KEGG细菌基因的曼哈顿样图，由协变量调整DESeq2分析确定。(K和L)非肥胖个体的左海马体积(K)和右额下眶体积(L)的相同功能分析结果。
3 肥胖与非肥胖受试者的记忆评分与血浆/粪便代谢组学和细菌功能之间存在差异 然后，作者使用基于随机森林的机器学习变量选择技术进行代谢物相关性研究(MWASs)，以识别与记忆测试相关的血浆(图3A-3H、S4A - S4H和S5A-S5H)和粪便(图3I-3P、S4I-S4P和S5I - S4P)代谢物。值得注意的是,所有记忆域的评分都与AAAs色氨酸、酪氨酸和苯丙氨酸及其分解代谢物(色氨酸分解代谢物:吲哚-3乙醛[3-吲哚乙酸]，吲哚-3丙酸[3-吲哚乙酸])的血浆水平改变有关；酪氨酸分解代谢产物:4-羟基苯乳酸[4-HPLA]；苯丙氨酸分解代谢产物:苯乙酰谷氨酰胺和苯乙酰甘氨酸。这些AAAs是血清素和多巴胺的前体氨基酸，这两种神经递质在中枢神经系统中起关键作用。涉及认知的大脑区域，如海马体和PFC，大量由多巴胺能和5 -羟色胺能传入神经支配，5 -羟色胺能和5 -羟色胺能神经传递的改变都与学习和记忆受损有关。色氨酸和酪氨酸都与记忆分数呈正相关。这一发现与过去的研究一致，即口服色氨酸可以改善啮齿动物的记忆获取、巩固和存储。有趣的是，记忆相关的色氨酸代谢变化只在肥胖的个体中观察到，与色氨酸相关的宏基因组功能和记忆区域在肥胖的个体中一致，但在非肥胖的个体中没有。值得注意的是，90%以上的色氨酸通过kynurenine途径代谢，该途径在炎症条件下被激活。与此相一致，血浆色氨酸水平与hs-CRP呈负相关。重要的是，微生物源代谢物，包括吲哚，在活化吲哚-胺2,3-双加氧酶(IDO)中起关键作用，IDO是kynurenine途径中的限速酶。这是第一次将色氨酸及其代谢物与认知联系起来的非人类的、过度的知识。胆碱能系统也与注意力和记忆等认知过程有关。研究表明，添加甜菜碱可以通过改变额叶皮层中MMP-9的活性来预防同型半胱氨酸诱导的记忆损伤。与此一致的是，作者发现循环中的甜菜碱水平与记忆分数相关。甜菜碱含量的变化符合认知领域之间的关联，几个宏基因组功能参与胆碱和甜菜碱转运蛋白,如胆碱/甜菜碱运输蛋白(betT和betS)、甜菜碱/脯氨酸转运系统ATP结合蛋白(proV)和甜菜碱/脯氨酸转运系统底物结合蛋白(proX)(表S1D-S1F)。其他与不同记忆区域有积极关联的代谢物是内源性大麻素油酸酰胺和花生四烯乙醇酰胺(AEA, anandamide)。作者还发现微生物产的n -乙酰磷脂酰乙醇胺磷脂酶D (NAPEPLD)(图1F an D 4H;表S1D和S1F)是脂肪酸乙醇酰胺生物合成所必需的，包括内源性大麻素，它与人类和小鼠的认知领域有着最强的关联。
图3.电喷雾电离(ESI)正模式下的血浆和粪便代谢组学与记忆域。(A、E、I和M)相关的代谢物的归一化排列重要度量度的盒图，这些代谢物与血浆中的CVLT_SDFR(A)、血浆中的TDS(E)、粪便中的CVLT_SDFR(I)和粪便中的TD(M)相关。(B、F、J和N)交叉验证置换可变重要性(CVPVI)测量与血浆中的CVLT_SDFR测试相关的每种代谢物(B)、血浆中的TDS(F)、粪便中的CVLT_SDFR和粪便中的TDS之间的相关性的3个符号，通过使用基于随机森林的VITA方法的机器学习来识别。(C，D，G，H，K，L，O和P)Boruta选定代谢物的归一化排列重要性度量，分别与肥胖和非肥胖者血浆CVLT_SDFR(C和D)、血浆(G和H)TDS、血浆(K和L)CVLT_SDFR以及粪便(O和P)TDS相关
4 微生物群从人移植到小鼠的效果
接着，作者测试了微生物群对小鼠记忆评分的可能影响。22名受试者(11名记忆力得分低，11名记忆力得分高，与年龄、性别、BMI和PHQ-9得分相匹配)的微生物群(表S6)以盲法口服给个体小鼠(执行该实验的研究者在粪便来源上是盲的)。与盐水对11只对照组小鼠记忆的影响进行了比较 (图4A)。与对照组小鼠相比，接受FMT的小鼠在24小时(NOR24 h)的新物体识别测试中得分更高，冻结总分更低(图4B和S6A)。有趣的是，与肥胖供体和对照组小鼠 (图4C)相比，非肥胖供体的微生物群显著增加了NORII24h评分。值得注意的是，在受体小鼠中，供体的CVLT-SDFR和CVLT-Short延迟Cued回忆评分均与NOR24 h评分显著相关(图4D和4E)。供体菌群中的细菌种类，包括Akkermansia sp.和Subdoligranulum sp. (NOR3 h)(图4F;表S7A)、梭状芽孢杆菌、Ruminococcus和Roseburia sp. (NOR24 h)(图4G;表S7B)，与受体小鼠的记忆得分增加相关，而几种拟杆菌与该得分呈负相关。因此，相同拟杆菌与冻结总分呈正相关(图S6C)。值得注意的是，一些供体的元基因组功能，包括NAPEPLD，与供体的TDS记忆域和受体小鼠的NOR24 h评分相关(图4H)。
最后，小鼠前额皮质的RNA测序突出了几个与NOR3 h评分相关的重要基因(图4I;表S7D)。在测试阶段,不同的记忆成绩记录受试小鼠3 h后的短期记忆(NOR3 h)和24 h后长期记忆(NOR24 h)。值得注意的是，负折叠变化最高的基因是甲状腺素运载蛋白(ttr)，折叠变化第二强的基因是slc6a3。此外，nori3h与5HT受体基因htr1和htr2a以及叶酸受体基因folr1之间存在直接联系，进一步强调了AAAs、叶酸代谢与记忆之间的联系。最后，acss2和hdac1与短期记忆直接相关，这证实了最近观察到的脑组蛋白乙酰化与关联学习的关系。有趣的是，与NORI3 h相关的记忆基因的表达同时与不同的细菌群相关，并且方向相同(图4J)。
图4.通过粪便菌群移植(FMT)研究的肠道微生物 (A)实验设计，人类供者和接受者的小鼠记忆变得一致。将来自低记忆力(n=11)和高记忆力(n=11)人类供体的微生物接种给经抗生素预处理的受体小鼠14天。对照组小鼠11只，注射生理盐水。4周后进行认知测试。(B和C)用于新型物体识别测试的小提琴曲线图，比较对照组和FMT组(t检验)(B)，并将对照组与接受来自肥胖和非肥胖者捐赠者的微生物群的组进行比较(单向方差分析)(C)。(D和E)加州言语学习测试(CVLTS)在人类和小鼠的NOR24 h之间的Spearman相关性。(F和G)来自DESeq2分析的与受体小鼠NOR3 h(F)和NOR24 h(G)相关的不同人类供体细菌丰度的火山图。(H)曼哈顿曲线图仅显示了与小鼠或24小时测试相关的KEGG细菌基因的显著表达(pFDR<0.05) (I)绘制了与NOR3 h检验单位变化相关的差异前额叶皮质(PFC)基因的火山图和每个基因的Benjamini-Hochberg调整p值(PFDR)。具有最高fc和最低pFDR值的基因被突出显示。在文献的基础上，可能对记忆起作用的基因标记出来了。(J)小鼠细菌种类和与NOR3 h相关的PFC基因之间的相关热图。发现并突出了三个具有很强相关性的细菌群。
总之，目前的发现指出存在一个微生物生态系统，该生态系统同时与语言和工作记忆、涉及这些特征的大脑区域体积、血浆/粪便色氨酸、微生物群驱动的色氨酸代谢物和前额皮质中5HT受体相关联。研究中鉴定的几个物种以前与阳性(Roseburia,Subdoligranulum和 Faecalibacterium)和阴性(Fusobacterium 和Bacteroides健康饮食评分相关联，与这里描述的记忆评分增加和减少的关联方向一致。这些发现表明了一个影响大脑生理的双向宿主/微生物生态系统。从这个意义上说，肠道微生物群将人类的记忆特征复制给了小鼠。同时本研究也存在一些局限性。尽管不同组群的样本量勉强合适，但基于人群的研究，包括不同类别的肥胖和种族群体，将更能说明情况。虽然作者的结论是基于横断面研究和一年的纵向研究的结果，但更长期的随访是必要的，以便更好地了解作者的结论的强度。最后小鼠模型，仅能用于推断认知功能，并不能与人类的认知评估和大脑形态学完全对等。
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