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重磅研究 | Cell：深入剖析遗传因素和微生物因素在宿主复杂行为中的作用( 五 )

P 2,58 =7.663 ， P = 0.0011） 。 （F）电生理实验设计方案 。 （G）社交互动试验中评估了罗伊氏乳杆菌治疗小鼠的社会行为（每组n=16–28对 ， WT-I +无菌基质 vs. KO-I +无菌基质：t = 6.490 ， P < 0.0001；WT-I +无菌基质 vs. KO-I + 罗伊氏乳杆菌：t = 1.079 ， P = 0.8552；KO-I +无菌基质 vs. KO-I + 罗伊氏乳杆菌：t = 7.707 ， P < 0.0001；单因素方差分析 ， F2,57=37.53 ， P < 0.0001） 。 （H）在基线水平和社交互动后24小时记录的VTA的DA神经元的AMPAR和NMDAR电流（上图）和AMPAR/NMDAR比值（下图）（每组n=6-14；WT-I+无菌基质组基线水平vs. 社交活动后：t = 3.462 ， P = 0.0203；KO-I+无菌基质的基线水vs. 社交活动后：t = 0.4072 ， P > 0.9999；基线水平的WT-I +无菌基质 vs. KO-I + 罗伊氏乳杆菌：t = 0.1927 ， P > 0.9999；KO-I +无菌基质基线水平vs. KO-I +无菌基质+可卡因：t = 3.773 ， P = 0.0075；KO-I + 罗伊氏乳杆的菌基线水平vs. 社交活动后：t = 3.467 ， P = 0.0201；单因素方差分析 ， F6,63=7.119 ， P < 0.0001） 。 （I）微小兴奋性突触后电流（mEPSCs）的代表性痕迹 。 （J） mEPSCs波幅（每组n=7-9；WT-I+无菌基质vs. KO-I+无菌基质：t = 3.884 ， P = 0.0026；KO-I +无菌基质 vs. KO-I + 罗伊氏乳杆菌: t = 1.295 ， P = 0.6278；WT-I +无菌基质 vs. KO-I + 罗伊氏乳杆菌: t = 2.385 ， P = 0.0797；单因素方差分析：F2,21=7.680 ， P = 0.0031）在用罗伊氏乳杆菌治疗的WT-I、KO-I和KO-I组中 。 （K） mEPSCs频率（每组n=7-9；WT-I +无菌基质 vs. KO-I +无菌基质：t = 3.802 ， P = 0.0031；KO-I +无菌基质 vs. KO-I + 罗伊氏乳杆菌: t = 0.9573 ， P > 0.9999；WT-I +无菌基质 vs. KO-I + 罗伊氏乳杆菌: t = 2.637 ， P = 0.0462；单因素方差分析：F2,21 =7.597 ， P = 0.0033）在用罗伊氏乳杆菌治疗的WT-I、KO-I和KO-I组中 。 直方图为均值±标准误 。 也可参见图S4和S5 。5 微生物产生的特定代谢物能逆转神经发育遗传缺陷小鼠社交能力和突触的缺陷 ， 但是无法逆转多动症行为肠道微生物产生的或诱导产生的代谢物可在胃肠道以外传递信号 ， 并通过脑肠轴调节大脑功能 。 为了研究罗伊氏乳杆菌改善KO-I小鼠社会缺陷的机制 ， 我们进行了非特异性肠道代谢组学分析 。 无监督层次聚类分析显示 ， KO-I小鼠的代谢谱与WT-I小鼠的代谢谱明显不同（图7A） ， 并且罗伊氏乳杆菌治疗不会将KO-I小鼠的整体代谢谱移回到WT-I的状态（图7A） 。 鉴于此 ， 我们接下来想知道是否有特异性代谢物的变化可以帮助区分社交正常（WT-I ， KO-I+罗伊氏乳杆菌）和社交缺陷小鼠（KO-I） 。 随机森林分析显示 ， 在社交正常和缺陷小鼠之间 ， 最具差异性的两种代谢物是生物喋呤和二氢生物喋呤（BH2） ， 这是四氢生物喋呤（BH4）代谢途径中的两种代谢物（图7B） 。 更重要的是 ， 与WT-I相比 ， KO-I小鼠中这些代谢物的水平显著降低 ， 并通过罗伊氏乳杆菌治疗得到完全改善（图7C和7D） 。 BH4是一种具有生物活性的生物蝶呤分子 ， 是许多重要酶的辅酶 ， 这些酶产生多巴胺、血清素和一氧化氮等神经活性分子 。 罗伊氏乳杆菌上调BH4途径中代谢物的水平（图7C和7D）并改善KO-I小鼠的社交缺陷 ， 但不能改善其多动症表型（图6B–6E和6G） ， 与此同时 ， 因为KO-I小鼠的社交缺陷由微生物组介导（图1、2、3、4和5；图S1、2和3） ， 所以我们想知道单独用BH4干预是否可以选择性地逆转KO-I小鼠的社交缺陷 。 为了回答这个问题 ， KO-I小鼠经口灌胃给予BH4（或溶剂）治疗（图7E） 。 结果值得我们关注 ， 与罗伊氏乳杆菌治疗一样 ， 单独使用BH4治疗可改善VTA脑区DA神经元导致的社交缺陷（图7F、G和I）和受损的社交奖赏相关突触可塑性（图7H和7J） 。 相反 ， BH4治疗未能改善KO-I小鼠的多动症表型（图7K - L） 。 上述结论进一步证实了社交缺陷由微生物组的变化介导 ， 而多动症表型由宿主基因调节的观点 。 因此 ， 罗伊氏乳杆菌通过调节宿主肠道内内源性四氢生物蝶呤水平 ， 至少部分逆转了社交能力和突触可塑性缺陷 。 为了检验BH4是否直接影响社交行为 ， 或通过改变微生物组对社交行为产生影响 ， 我们接下来检验了BH4是否能够改善GF小鼠的社会缺陷（图S6A） 。 与先前的研究结果一致 ， 我们也发现定植罗伊氏乳杆菌改善GF小鼠的社交缺陷 ， 此外 ， 我们还发现BH4也能逆转GF小鼠的社交缺陷（图S6B和S6C） 。 正如我们所料 ， BH4对GF小鼠的自发活动水平没有影响（图S6D和S6E） 。 这些发现提供了另一个证据 ， 即Cntnap2-/-小鼠的社会行为表型是由肠道微生物组介导的 ， 而多动症表型是由宿主遗传决定的 。 在证明了BH4对于社会行为是由足够影响之后 ， 我们接下来探索了罗氏乳酸菌对社会行为的影响是否依赖于生物蝶呤途径 。 为了回答这个问题 ， 用罗伊氏乳杆菌治疗的-/-（KO-I）小鼠被注射SPRi3（图S7A） ， SPRi3是一种有效且选择性的乌贼蛋白还原酶抑制剂 ， 是BH4合成途径中最后一个关键酶 。 有趣的是 ， 当BH4合成在药理学上被阻断时 ， 罗伊氏乳杆菌未能改善KO-I小鼠的社交缺陷（图S7B–S7D） ， 这表明罗伊氏乳杆菌通过调节宿主的BH4系统来改善社交缺陷 。 值得注意的是 ， SPRi3不影响经罗伊氏乳杆菌治疗的KO-I小鼠的自发活动能力（图S7E和S7F） ， 这进一步证实了社交缺陷和多动症表型有不同起源的观点 。 最后 ， 我们检查了BH4是否是WT小鼠正常社会行为所必需的（图S7G） 。 我们发现SPRi3对BH4合成的药理学抑制会损害WT小鼠的社会行为（图S7H–S7J） ， 但不会显著改变运动活动（图S7K和S7L） 。 因此 ， BH4系统是有选择地需要正常的社会行为 。

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