《Frontiers in Cellular and Infection Microbiology》：Integrating microbial genomics and neurotranscriptomics to understand the impact of probiotic strains on neurological health
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本综述通过整合微生物基因组学、神经转录组学与体外验证，系统阐明了罗伊氏乳杆菌GG（Lactobacillus rhamnosus GG）和长双歧杆菌1714（Bifidobacterium longum 1714）通过肠-脑轴调控神经健康的互补机制：LGG主要增强GABA能突触通路，而1714则调控色氨酸-血清素-免疫轴，为精准益生菌治疗神经精神疾病提供了多组学证据支持。
背景
肠-脑轴作为神经健康的关键调节器日益受到重视，微生物代谢产物通过影响神经传递、突触可塑性和神经炎症等过程发挥作用。罗伊氏乳杆菌GG和长双歧杆菌1714等益生菌虽已显示出神经活性效应，但连接微生物基因组潜力与宿主神经元反应的分子机制仍不明确。
材料与方法
研究采用多组学整合策略，首先通过全基因组功能注释、代谢通路预测和生物合成基因簇分析评估益生菌株的神经活性潜力。对神经元RNA-seq数据集进行差异表达分析、加权基因共表达网络分析和基因集富集分析，捕捉转录组响应。运用典型相关分析、DIABLO和SPIEC-EASI等多组学整合方法连接微生物通路与神经元基因模块。通过SH-SY5Y和人诱导多能干细胞来源的神经元体外实验验证预测结果，检测指标包括细胞活力、氧化应激、神经递质释放、突触和炎症基因的qPCR分析以及细胞外囊泡表征。
微生物基因组挖掘揭示神经活性通路
全基因组分析显示，罗伊氏乳杆菌GG富含γ-氨基丁酸和短链脂肪酸通路基因，而长双歧杆菌1714携带色氨酸-吲哚代谢相关基因。功能注释发现两株菌均携带谷氨酸脱羧酶基因，支持GABA生物合成潜力。长双歧杆菌1714表现出增强的色氨酸代谢通路，包括吲哚丙酮酸脱羧酶和犬尿氨酸途径中间体。罗伊氏乳杆菌GG则具有丰富的乳酸脱氢酶和丙酮酸代谢通路，与短链脂肪酸生成相关。基因组挖掘预测长双歧杆菌1714含有吲哚-3-乳酸和共轭亚油酸生物合成基因簇，罗伊氏乳杆菌GG含有细菌素和胞外多糖合成操纵簇。
益生菌对神经元转录组的调控作用
RNA-seq分析发现益生菌处理引起1,128个基因显著改变，其中612个基因上调，516个下调。突触可塑性基因如脑源性神经营养因子、突触素1和钙/钙调蛋白依赖激酶2A，以及神经递质释放机制相关基因如血清素转运体和GABA受体亚基均显著上调。相反，白细胞介素6、肿瘤坏死因子和NOD样受体热蛋白结构域相关蛋白3等促炎标志物持续下调。加权基因共表达网络分析识别出六个共表达模块，其中与突触信号和神经发生相关的蓝色模块与益生菌处理呈正相关，而富含炎症和应激反应通路的棕色模块呈负相关。通路富集分析显示GABA能突触、血清素能突触和钙信号通路显著富集，而核因子κB信号、细胞因子信号和凋亡通路则明显下调。
微生物-转录组整合分析
多组学整合揭示了宿主-微生物相互作用的协调模式。典型相关分析显示微生物功能通路与神经元基因表达存在显著关联。DIABLO潜在成分解释了多组学数据集41%的方差，其中罗伊氏乳杆菌GG的GABA和短链脂肪酸通路与神经元GABA受体亚基、脑源性神经营养因子和突触素1上调相关，长双歧杆菌1714的色氨酸代谢和吲哚通路与血清素转运体、色氨酸羟化酶2上调及促炎介质表达降低相关。SPIEC-EASI网络建模构建了包含62个节点和142条边的宿主-微生物互作网络，呈现出神经传递簇和免疫调节簇两个主要子网络，稳定性选择证实超过80%的边在自助数据集中可重复。
体外实验验证
细胞活力检测显示益生菌处理组细胞存活率超过95%，条件培养基使代谢活性增加8-12%。活性氧检测表明罗伊氏乳杆菌GG和长双歧杆菌1714分别使氧化应激水平降低18%和22%。神经递质释放检测发现罗伊氏乳杆菌GG处理使GABA释放增加1.7倍，长双歧杆菌1714使血清素水平提高1.5倍，多巴胺水平呈上升趋势。qPCR验证显示罗伊氏乳杆菌GG上调脑源性神经营养因子和突触素1表达，下调白细胞介素6和肿瘤坏死因子α；长双歧杆菌1714则显著上调糖皮质激素受体和血清素转运体表达。细胞外囊泡分析发现益生菌处理的神经元分泌囊泡数量增加1.3倍，囊泡转录组富集突触可塑性和抗炎转录本。
讨论
本研究通过多组学整合策略阐明了两株益生菌通过互补机制调节神经功能的分子基础。罗伊氏乳杆菌GG主要增强GABA能和短链脂肪酸介导的突触稳定性，长双歧杆菌1714则强化色氨酸-血清素-免疫调节轴。两株菌均能降低氧化应激水平，抑制促炎细胞因子表达，调节细胞外囊泡介导的细胞间通讯。这些发现为益生菌在焦虑、抑郁、自闭症谱系障碍及阿尔茨海默病等神经精神疾病中的精准应用提供了理论依据。
局限与展望
当前研究的局限性在于体外模型难以完全模拟体内神经免疫互作的复杂性，条件培养基实验无法体现肠道上皮和免疫系统的交叉对话，微生物代谢物与特定神经元基因表达变化的因果关系仍需进一步验证。未来研究应结合体内模型、临床实验及代谢组学、单细胞转录组学等技术，深入探索多菌株协同作用机制。
结论
该研究展示了多组学整合在揭示益生菌神经调节机制方面的强大能力，证实罗伊氏乳杆菌GG和长双歧杆菌1714通过互补的菌株特异性效应，调节神经递质通路、突触信号和神经炎症，为靶向肠-脑轴的精准益生菌开发提供了重要科学依据。
