本文由李紅霞編譯，董小橙、江舜堯編輯。
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導 讀
腸道微生物影響宿主許多重要的功能，如：免疫反應和神經系統。雖然，在培養微生物方面已經取得了實質性進展，但人體腸道中23%~65%的物種仍未培養。因此，理解微生物的生物學作用存在障礙。人工環境中缺少共培養菌產生的關鍵生長因子，可能是導致微生物無法培養的原因之一。在本研究中，我們用共培養法分離出KLE1738，并進行相關研究。
論文ID
原名：GABA-modulating bacteria of the human gut microbiota
譯名：γ-氨基丁酸對人類腸道細菌的調節作用
期刊：Nature microbiology
IF：14.174
發表時間：2018年
通信作者：Philip Strandwitz；Kim Lewis
通信作者單位：波士頓東北大學
實驗設計
1 菌株共培養
收集健康人體糞便，作為實驗樣品。將1g糞便懸浮在9ml 20%的無菌甘油中，勻漿，-80℃保存備用。對培養菌株進行測序，構建系統發育樹。
2 測定γ-氨基丁酸為KLE1738生長時必須的生長因子
提取B. fragilis KLE1758的產物，采用高效液相及核磁共振對產物進行分析。采用不同化合物及不同培養基對KLE1738菌株的生長條件進行驗證。
3 KLE1738基因測序與代謝分析
將KLE1738細胞接種FAAy平板上，厭氧培養48h，進行基因測序和物種注釋。并用13C標志的γ-氨基丁酸對菌株代謝情況進行驗證。
4 與γ-氨基丁酸相關的腸道微生物的分離
通過基因測序對產生及消耗γ-氨基丁酸相關的腸道微生物進行篩選，通過UniProt對其相關代謝途經分析。采用轉錄組學方法對人類糞便進行分析，探討GABA代謝的三個主要基因的活性，即Gad，γ-氨基丁酸：α-酮戊二酸轉氨酶和琥珀酸半醛脫氫酶。
5 Bacteroides的相對豐度水平與抑郁相關的腦信號呈負相關
23名19至65歲的抑郁癥患者參加研究。對患者糞便進行測序。采用磁共振成像對患者腦部進行分析。建立腦反應信號與腸道菌的關系。
實驗內容
在本研究中，我們用共培養法分離出KLE1738，該菌需要有Bacteroides Fragilis 的存在才能生長。生物測定法純化Bacteroides Fragilis 的上清液，從其上清液中分離出GABA（γ-氨基丁酸），運用基因組學方法對KLE1738的代謝機制進行分析，結果顯示，GABA（γ-氨基丁酸）為KLE1738生長時的生長因子。
圖1 KLE1738的共培養分離
以KLE1738的生長為指標，分離出多種產生GABA的細菌?；诨蚪M的人體腸道微生物群代謝模型的預測，發現919種腸道微生物具有生產或消費GABA的能力。對正常人糞便標本進行轉錄組學分析，結果表明，Bacteroides、Parabacteroides、Escherichia均能積極表達GABA產生途徑。
圖2 GABA調節菌的體外鑒定及生物學信息
我們研究人類腸道中GABA的主要細菌生產者Bacteroides，也許與臨床重度抑郁癥（MDD）有關。為此，收集了23例MDD患者的糞便樣本。用16SrRNA進行測序分析。采用磁共振成像對患者腦部進行分析。通過將16S核糖體RNA序列與功能磁共振成像結合，發現與GABA介導的抑郁癥患者糞便Bacteroides的相對豐度水平與抑郁相關的腦信號呈負相關。
圖3 糞便Bacteroides的相對豐度與MDD患者左DLPFC和DMN結構功能連接性的負相關
討 論
空腸彎曲桿菌是一種非常常見的可引起細菌性腹瀉的食源致病菌。前期的微生物和細胞實驗表明，宿主對于空腸彎曲桿菌的抗性或易感性很難以參透。本文報道了常規的小鼠腸道菌群可緩解無菌小鼠體內空腸彎曲桿菌所引起的腸道炎癥，且這種作用與病原菌在腸道內的定植作用無關。分子和細胞實驗表明，腸道微生物可抑制空腸彎曲桿菌引起的mTOR信號通路激活、炎癥因子表達、中性粒細胞浸潤以及空腸彎曲桿菌向結腸組織的轉移。微生物培養和移植實驗表明，腸道微生物中的厭氧菌對空腸彎曲桿菌引起的結腸炎具有保護作用，其代謝產物DCA是宿主產生抵抗的重要原因。給無菌鼠直接補充DCA可預防和治療空腸彎曲桿菌引起的結腸炎，同樣，靶向清除次級膽汁酸生成菌后，可加重空腸彎曲桿菌病。這些研究均表明，腸道微生物的代謝產物DCA可通過抑制mTOR信號通路，對空腸彎曲桿菌病產生有益影響，但并不影響空腸彎曲桿菌的定植。
本文發現腸道微生物對空腸彎曲桿菌感染的保護作用，與該菌在腸道內的定植無關。腸道微生物能夠阻止空腸彎曲桿菌向腸黏膜組織和腸系膜淋巴結入侵，但這一過程未伴隨著彎曲桿菌水平的降低。這一結果與艱難梭菌（C. difficile）、檸檬酸桿菌（Citrobacter rodentium）和鼠傷寒沙門氏菌（Salmonella typhimurium）的感染機制不同。這些菌存在定植抵抗，腸道微生物可抑制這三種病原菌生長，降低其在腸腔內的數量。
本文的研究成果對于腸道微生物如何控制宿主對病原菌的易感性，以及如何通過靶向微生物代謝物療法治療疾病均具有重要的意義。
結 論
γ-氨基丁酸為KLE1738生長的必須生長因子，只有在體外環境與KLE1758共培養時，才能生長。
Bacteroides與抑郁癥患者的腦信號呈負相關。
評 論
本文采用基因組學法、轉錄組學、HPLC、GC-MS、GC-MS-MS、MRI等前沿技術手段，對前人無法培養的KLE1738菌進行共培養，揭示γ-氨基丁酸為其必須生長因子。并對產γ-氨基丁酸相關腸道菌群進行研究，探索腸道菌群與疾病的關系。
