Cell Metabolism（IF 27.287）| 菌群相关纵向多组学显威，首次解析饮食相关脯氨酸代谢调节抑郁症严重程度

粪便、血浆、空肠上皮、内侧前额叶皮质

人群队列：①IRONMET队列，n=116（非抑郁症n=44、轻度抑郁n=47和重度抑郁受试者n=25）；②IRONMET纵向队列，n=70；③IMAGEOMICS队列，n=919；INTESTINE队列，n=28

动物模型：小鼠、果蝇

作者首先评估了菌群组成和功能的关系，对纵向发现队列（IRONMET）的粪便样本进行宏基因组分析。结果显示，非抑郁受试者和抑郁受试者之间菌群组成在alpha和β多样性中具有显著差异。接着，对于每个分群的数据经年龄、性别、体重指数(BMI)、受教育年限以及抗抑郁药和焦虑药物校正后，筛选出30种与PHQ-9评分显著相关的菌种。其中，PHQ-9评分与副杆菌属、氨基酸球菌属呈正相关，与假长双歧杆菌和毛螺菌科中产丁酸盐的菌种呈负相关。纵向比较表明，较低水平的放线菌（双歧杆菌属和柯林斯菌）和毛螺菌以及较高水平的普雷沃氏菌和肠杆菌与1年后较高的PHQ-9评分有关。

在微生物的功能上，经矫正后与PHQ-9评分显著负相关的菌群功能涉及精氨酸、脯氨酸和组氨酸代谢通路。此外，谷氨酸代谢、谷氨酸能突触和GABA能突触与PHQ-9评分显著相关。一些与PHQ-9评分具有强关联的细菌也参与了TCA循环。溶质载体家族6(SLC6)也与PHQ-9评分呈负相关。其中，SLC6主要编码神经递质（例如GABA、单胺、甘氨酸和脯氨酸）转运蛋白，也编码蛋白氨基酸、甜菜碱、牛磺酸和肌酸，与GABA能突触变化一致。

为了进一步探索微生物组的功能，作者对血浆和粪便样本进行了代谢组学分析。与之前结果一致，与PHQ-9评分相关的代谢物参与了TCA循环(琥珀酸和富马酸)、组氨酸代谢(尿刊酸)以及脯氨酸和谷氨酸代谢。接着，作者在验证队列（IMAGEOMICS）进行验证，发现血浆脯氨酸与抑郁评分的强正相关性。将发现队列（IRONMET）中与PHQ-9评分显著相关的代谢物进行通路富集分析，结果发现与TCA循环、氧化磷酸化、谷氨酸代谢以及精氨酸、脯氨酸和组氨酸分解代谢相关的通路显著富集。结果也强调了SLC和氨基酸转运蛋白以及GABA合成/降解通路及其通过GABA分流与TCA循环的联系，这些变化主要与哺乳动物大脑中的神经传递有关。

饮食对调节肠道微生物组的组成和代谢活动有很大影响，作者采用食物频率问卷的方式，将常规营养素、维生素、矿物质、氨基酸和脂肪酸等与IRONMET发现队列中的 PHQ-9 评分之间进行关联分析（膳食纤维作为变量控制）。相关性分析显示脯氨酸是对抑郁症影响最大的饮食因素，且低膳食脯氨酸水平和低血浆脯氨酸水平人群的PHQ-9得分最低，反之PHQ-9评分最高。进一步分析了血浆脯氨酸与肠道菌群的关联。结果表明，血浆脯氨酸水平与PHQ-9评分相关的菌群特征存在相关性，其中血浆脯氨酸与副杆菌属和普氏菌属呈正相关，与放线菌和产SCFA的毛螺菌科呈负相关。提示高膳食脯氨酸水平但低血浆脯氨酸水平的人群中，肠道菌群增强脯氨酸的代谢和转运，降低血液中脯氨酸水平，进而缓解抑郁。

已知膳食脯氨酸主要被小肠中的肠细胞广泛代谢。作者对另一个与肥胖研究相关的独立临床队列（INTESTINE队列）的空肠样本进行转录组测序。结果表明，在 15,144 个与膳食脯氨酸相关的重要基因转录本中鉴定出 1,547个基因。功能分析发现其参与GABA受体激活、突触相互作用和轴突引导的通路，与代谢组学结果一致。

为了进一步研究膳食脯氨酸对抑郁症的直接影响，作者对抑郁症模型小鼠（UCMS模型）补充饮用水或脯氨酸。结果显示，补充脯氨酸的小鼠血浆脯氨酸水平显著升高，且抑郁症的核心症状的发生更为显著。此外，抑郁症模型鼠在饲喂脯氨酸后血清脂多糖结合蛋白LBP（细菌易位的标志物）水平更高，表明发生菌群易位，并且这与人的结果一致。

由于铁元素在谷氨酸和GABA稳态中起着至关重要的作用，作者基于MRI分析患者大脑中铁沉积的情况。AAL Atlas和PHQ-9评分相关性分析显示扣带回和额叶相关区域的低铁沉积与抑郁症呈正相关。此外，fMRI分析找到72个与抑郁相关的节点，68个与血浆脯氨酸水平相关的节点，其中30个也与PHQ-9评分有关，且这些区域大多属于rich-club区域（大脑网络中的核心节点，包括上额叶皮层、楔前叶、脑岛和皮层下区域等）。

为了评估肠道微生物在情绪发展障碍进展中的潜在作用，将来自20名具有不同PHQ-9评分的抑郁症患者所提供的粪菌移植到20只抗生素处理的小鼠中。结果显示供体PHQ-9评分与受体小鼠出现情绪发展障碍的相关指标具有显著的相关性，且供体PHQ-9评分与受体小鼠肠道微生物的特征也存在相关性。进一步对受体小鼠内侧前额叶皮层(mPFC)进行RNA测序，发现59个转录本与PHQ-9评分显著相关，其中44个转录本与受体小鼠出现情绪发展障碍的时间相关。利用通路的过表征分析（ORA）发现一个基因簇，包含编码GABA转运蛋白（slc6a12和slc6a13）和脯氨酸转运蛋白（slc6a20）的基因转录本。这些结果与代谢组、宏基因组结果一致，再次强调了GABA分流将TCA循环与GABA 和谷氨酸代谢联系起来的重要性，也再次确认了脯氨酸-谷氨酸-GABA-微生物组相互作用的重要性。

为验证上述结果中鉴定到的脯氨酸/GABA相关转运蛋白的关键作用，在抑郁症模型果蝇中敲低脯氨酸转运蛋白CG43066（slc6a20同源体）后，抑郁症相关表型明显缓解。敲低果蝇神经胶质细胞GABA转运蛋白Gat（Slc6a12和Slc6a13同源体），也一定程度上改善抑郁症相关行为，表明神经胶质细胞中Gat对抑郁样状态具有保护作用。接着、作者从患者（摄入脯氨酸）肠道微生物中分离植物乳杆菌（高GABA生产者）和阴沟肠杆菌（低GABA生产者）、进行单菌定植实验。结果表明，在阴沟肠杆菌单菌定植的雄性果蝇中观察到抑郁症相关表型，而定植植物乳杆菌的果蝇则无抑郁症相关表型，这表明定植高GABA生产植物乳杆菌对果蝇抑郁状态具有保护作用。