文章標題：Distinct Roles of Honeybee Gut Bacteria on Host Metabolism and Neurological Processes

發表期刊：Microbiology Spectrum

影響因子：9.043

合作單位：中國農業大學

百趣生物提供服務：神經遞質靶標檢測

研究背景

蜜蜂擁有一個簡單且具有宿主特異性的腸道菌群，該微生物群與宿主發生了特定的相互作用，有助于其宿主的代謝健康，而細菌共生體對宿主神經功能的影響仍不清楚。本研究建立了具有不同腸道細菌的單菌定植蜜蜂，以闡明蜜蜂腸道成員對宿主代謝和神經功能的不同作用。該研究結果證明了單個蜜蜂腸道物種是如何影響宿主行為的，突出了對蜜蜂神經生物學和生理狀態重要的腸道-大腦連接。

研究結果

1、腸道細菌改變循環代謝譜

使用六種蜜蜂核心腸道細菌對新出現的蜜蜂進行了定植（圖1A），然后對蜜蜂的血淋巴樣本進行了準靶向代謝組學分析。分析表明，組間血淋巴樣本的代謝特征顯著不同（圖1B）。進行了加權相關網絡分析（WGCNA）發現，乳酸桿菌Firm4和Firm5均與富含氨基酸代謝的代謝產物的黑色M顯著相關（圖2A）。最相關的循環代謝產物是高香草酸（圖2B和C）。包括賴氨酸降解和嘧啶、色氨酸和嘌呤代謝在內的途徑在F4和F5定殖蜜蜂的血淋巴和腸道中持續上調（圖2D）。表明不同的腸道成員調節特定的代謝途徑。
 

圖1. 不同蜜蜂腸道群體成員對血淋巴代謝組的影響

圖2. Firm4和Firm5乳桿菌改變的血淋巴代謝曲線

2.腸道細菌影響大腦中的基因表達

由于血淋巴代謝組僅在Gi、F4和F5定殖的蜜蜂中調節，用這三組進行腦轉錄組分析。差異表達基因的富集分析表明，包括α-亞麻酸等在內的5條代謝途徑，在F4和F5組的大腦中上調（圖3）。糖酵解/糖異生和胰高血糖素信號通路僅在定植有Gilliamella菌的蜜蜂中上調。涉及剪接體RNA加工的KEGG途徑在Gi和F4蜜蜂中上調。這些結果表明，在細菌定植組中，轉錄組程序發生了差異性改變。

進行皮爾遜相關分析發現在F4和F5組中，非索非那定、硫酸膽固醇酯和2-羥基-5-甲基苯乙酮與大腦中的上調基因呈顯著正相關，而高香草酸和γ-己內酯與這些基因呈顯著負相關。表明大腦中上調的基因與不同腸道細菌改變的特定代謝物相關，表明循環代謝在宿主-細菌相互作用中的潛在作用。
 

圖3. 腸道微生物群影響蜜蜂大腦中的基因表達

3.腸道細菌影響大腦中基因的選擇性剪接

研究腸道細菌定植的蜜蜂大腦是否與MF蜜蜂的大腦表現出不同的AS事件，結果表明多個AS事件可能發生在單個基因中，腸道成員導致不同的事件。

從SPARK和SFARI基因數據集中檢測了表明MF和細菌定植的蜜蜂與ASD風險基因之間存在顯著差異的基因重疊。結果顯示MF蜜蜂中的2128個差異拼接基因中有59個與人類自閉癥相關（圖4A）。以上結果表明腸道微生物誘導差異基因表達譜并介導AS，從而在蜜蜂大腦中形成特定的基因亞型（圖4B）。蜜蜂社會行為所必需的和與人類自閉癥疾病相關的基因尤其受到Gilliamella菌的影響，證實了人類和蜜蜂社會反應性相關基因的相似性。
 

圖4. 腸道微生物群影響蜜蜂大腦中高置信度ASD基因的選擇性剪接

4.腸道微生物群改變大腦神經遞質水平

差異剪接基因的富集分析表明，包括神經營養素等多條代謝通路在Gi、F4和F5組的大腦中受到調節（圖5C）。測定了三種主要神經遞質GABA、5-HT和多巴胺的濃度，結果表明抑制性遞質GABA的濃度在F4蜜蜂的大腦中顯著較高（圖5A）。而單定植Gi、F4和F5的蜜蜂的多巴胺和5-HT濃度顯著低于MF蜜蜂（圖5B和C）。
 

圖5. 腸道微生物群改變了大腦中神經遞質的濃度和蜜蜂的行為

5.腸道細菌影響蔗糖反應性

喙伸展反應（PER）是一種味覺相關行為，是蜜蜂嗅覺辨別和群體表現的基礎。測量MF蜜蜂、常規（CV）蜜蜂和單殖Gi、F4和F5蜜蜂的PER。與MF組相比，細菌定植蜜蜂的蔗糖敏感性顯著提高（圖5D）。與單殖蜂相比，CV蜂對低蔗糖濃度更敏感，這意味著腸道細菌對蜜蜂行為的綜合影響。這些結果表明，正常腸道微生物群或單核心腸道成員的定植可以影響大腦中的神經遞質水平，這可能與嗅覺敏感性的改變有關。

結論

本研究通過構建不同腸道單菌定植的蜜蜂，發現Gilliamella菌與碳水化合物和脂質代謝相關，兩個乳桿菌菌屬主要調節氨基酸代謝。通過大腦轉錄組分析，鎖定到神經遞質傳遞功能的變化，檢測神經遞質的濃度，驗證了神經功能的變化。最終結果表明，這三種腸道菌屬可影響宿主的認知能力。本研究從循環代謝組到大腦中的轉錄和神經化學變化解開了不同菌株對宿主的貢獻，強調了腸道微生物群在蜜蜂行為中的重要作用，以及不同蜜蜂腸道成員對宿主生理的復雜相互作用。

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文/阿趣代謝組學