核心提示:发现肠道微生物组中拥有更多有尾噬菌体目(Caudovirales)的个体在执行能力和记忆方面表现得更好,高水平的微小噬菌体科(Microviridae)与执行能力的严重衰退有关。
摘要:有证据表明,肠道微生物群与人的认知能力有关。本实验使用了114份人体粪便样本(后补充942份样本)进行研究,发现肠道微生物组中拥有更多有尾噬菌体目(Caudovirales)的个体在执行能力和记忆方面表现得更好,高水平的微小噬菌体科(Microviridae)与执行能力的严重衰退有关。将人体粪便样本移植到果蝇和小鼠的肠道中进一步研究测试,结果与人类中实验类似。而将长尾噬菌体科噬菌体通过饮食给予果蝇,会增加果蝇记忆测试得分。因此,噬菌体值得考虑作为微生物-脑肠轴的新角色。
一、实验背景
人体肠道内寄生着大量细菌,这些肠道菌群影响着人类肥胖、肠炎、自身免疫疾病、对癌症治疗药物的反应,甚至影响人类寿命。噬菌体是是肠道病毒组中经常被忽视的组成部分,之前已有研究发现肠道中某些类型的细菌的存在可以促进或阻碍心理功能,在这项新的研究中,作者想了解肠道中的噬菌体是否也具有此功能。
二、实验流程
三、实验结果
为了确定肠道噬菌体水平和认知能力之间是否存在联系,研究人员将重点放在了微小噬菌体科(Microviridae)和有尾噬菌体目(Caudovirales)上。他们测试了114名志愿者的粪便样本(后续补充942名志愿者)这两类噬菌体的水平。他们对每个志愿者进行了倒背数字、TMTB、语言学习(CVLT)、符号数字(SDT)、音素语言流利度(PVF)等关于记忆和执行能力的测试,结果发现,那些具有较高有尾噬菌体目(Caudovirales)水平的志愿者往往在测试中反应更快,记忆更好,得分更高。相比之下,那些具有高微小噬菌体科(Microviridae)水平的人往往在测试中表现更差。
有人提出噬菌体通过转位和诱导以及水平基因转移来调节细菌群落,从而在宿主健康中发挥重要作用。因此,研究评估了这些噬菌体与细菌组成和功能的关联,发现Caudovirales水平与乳酸菌相关,特别是链球菌、乳杆菌、乳球菌和肠球菌物种呈强正相关,与拟杆菌属物种呈负相关。这与所有已知的乳酸菌噬菌体都属于Caudovirales的事实是一致的。
实验进一步验证了特定Caudovirales和乳酸菌之间的关联,随访1年后发现链球菌,乳酸杆菌,乳球菌和肠球菌属与特定Caudovirales水平之间存在正强关联,与改善的执行功能之间的正相关也得到了反映。
研究团队随后对各种类型的食物进行了研究,以了解这两类噬菌体如何进入肠道的,他们发现最常见的途径似乎是通过乳制品。特定Caudovirales水平与乳制品消费和中链脂肪酸之间存在正相关,中链脂肪酸天然存在于乳制品脂肪中,相反,微病毒科与中链脂肪酸呈负相关。
为了测试来自人类供体的噬菌体和相关细菌群落是否可以引发受体小鼠的认知变化,接下来进行了FMT实验。将22名患者的微生物群递送至抗生素治疗的受体小鼠体内。4周后,观察发现特异性Caudovirales水平越高,小鼠的认知测试,特别是新型物体识别(NOR)测试得分越高,并上调了前额叶皮层中促进记忆的基因表达。相反,微病毒科水平的增加时受体小鼠的认知测试得分降低。
此外,研究人员还使用黑腹果蝇评估了长尾噬菌体科乳球菌936型噬菌体在学习和记忆中的影响。结果表明将球菌936型噬菌体通过饮食给予果蝇,会增加果蝇记忆测试得分,促进其与记忆有关的大脑基因上调。
四、实验结论
以前的研究大多数只关注细菌种群中的生物失调过程,而本研究表明,肠道中的细菌噬菌体与动物和人类的执行功能及记忆力有关,噬菌体可能是微生物-大脑调控轴的新的参与者。此外在果蝇的饮食中直接补充936型乳酸菌噬菌体以及在小鼠的微生物群移植后,通过上调参与突触可塑性、神经元发育和记忆形成的基因表达,有助于提高记忆能力。这些发现可能对改善认知和记忆功能障碍的饮食干预的设计具有巨大的启示意义。
参考文献:Mayneris Perxachs Jordi,Castells Nobau Anna,Arnoriaga Rodríguez María,etal. Caudovirales bacteriophages are associated with improved executive function and memory in flies, mice, and humans[J]. Cell Host & Microbe,2022(prepublish)