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科研 | 中国药大:人参皂苷Rg1富集肠道菌群代谢物吲哚-3-乙酸通过催产素信号缓解抑郁(国人佳作)

代谢组metabolome  · 公众号  ·  · 2024-12-03 08:00

正文

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编译:微科盟草重木雪,编辑:微科盟Tracy、江舜尧。

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导读

尽管大量研究表明人参的主要活性成分人参皂苷具有神经保护和抗抑郁作用,但其作用机制尚不完全清楚。本研究旨在从肠道微生物到大脑信号传导的角度阐明人参皂苷Rg1(Rg1)的抗抑郁机制,Rg1是一种口服吸收利用度低的人参皂苷。研究者通过不可预知温和应激(UMS)诱导小鼠抑郁模型;通过行为和神经化学测试来评估Rg1对抑郁行为的影响和机制;进行了非靶向和靶向代谢组学研究,以鉴定Rg1抗抑郁功效背后的信号代谢产物;通过16S rRNA测序分析肠道微生物结构,并通过体外细菌培养研究与Rg1作用相关的潜在功能菌株。结果表明,Rg1改善了UMS诱导的小鼠绝望、焦虑样和社交回避行为,同时伴有下丘脑催产素分泌增加和海马神经增殖恢复。肠脑轴的代谢组学分析表明,Rg1增加了血清和脑吲哚-3-乙酸(IAA)的浓度,IAA是一种细菌代谢产物,部分归因于肠道微生物组中鼠乳杆菌的富集。口服补充IAA模拟了Rg1的抗抑郁作用,而催产素受体拮抗剂消除了Rg1和IAA的抗抑郁效果。本研究为Rg1的抗抑郁作用提供了一种新的肠脑信号机制。特别是,Rg1富集了鼠乳杆菌的丰度,这反过来又增加了大脑IAA的水平,并增强了下丘脑催产素信号。这些发现表明,通过肠脑串扰产生抗抑郁作用是一种潜在方法。


亮点:

1. 人参皂苷Rg1可增加应激小鼠血清和脑中吲哚-3-乙酸的浓度。

2. 人参皂苷Rg1部分通过催产素信号产生抗抑郁作用。

3. 吲哚-3-乙酸对小鼠慢性应激性抑郁具有保护作用。

4. 人参皂苷Rg1可能通过富集鼠乳杆菌来增加吲哚-3-乙酸。


论文ID


原名: Ginsenoside Rg1 Enriches Gut Microbial Indole-3-acetic acid to Alleviate Depression-like Behavior in Mice via Oxytocin Signaling
译名: 人参皂苷Rg1增强肠道微生物吲哚-3-乙酸通过催产素信号减轻小鼠抑郁样行为
期刊: Phytomedicine
IF: 6.7
发表时间: 2024.10
通讯作者: 郝海平&郑啸
通讯作者单位: 中国药科大学

实验设计



实验结果


1. Rg1在不可预知温和应激小鼠中产生抗抑郁作用


我们之前的研究表明,Rg1(化学结构如图1A所示)缓解了慢性社交挫败应激(CSDS)诱导的抑郁小鼠模型中抑郁症状。为了进一步证实其抗抑郁作用,我们在这里探索了低剂量和高剂量Rg1(20mg/kg和40mg/kg)在已建立的UMS抑郁模型中的作用(图1B)。我们在Rg1给药14天后进行行为实验。在埋珠实验(MBT)中,与UMS组相比,低剂量和高剂量Rg1组(20mg/kg和40mg/kg)的埋珠数量显著减少(图1C)。此外,在悬尾实验(TST)和强迫游泳(FST)中,UMS的不动时间增加,Rg1有效地减少了不动时间(图1D,E)。此外,在SIT中,Rg1以剂量依赖的方式改善了UMS小鼠的社交回避行为(图1F)。这些数据共同证实,Rg1可以改善UMS小鼠的行为异常,尤其是社交回避行为。

图1 Rg1在UMS小鼠中产生抗抑郁作用。 A 、Rg1的化学结构式。B、实验程序的时间线示意图。C、大理石埋珠试验中埋藏的大理石数量(MBT,n=11-14)。D、小鼠在悬尾试验中的不动时间(TST,n=11-14)。E、小鼠在强迫游泳试验中的不动时间(FST,n=11-14)。F、社交互动测试中小鼠的社交能力得分(SI,n=11-14)。G、海马齿状回(DG)双皮层蛋白(DCX)的免疫荧光染色图像(红色,比例尺=100μm,n=6)。H、海马DG中DCX + 细胞的平均数量(n=6)。I、小鼠海马神经营养介质的相对mRNA表达(n=8)。J、小鼠海马突触标志物的相对mRNA表达(n=8)。数据以平均值±SEM表示;*P<0.05,**P<0.01,***P<0.001。对于(A)-(H),显著性由双尾非配对学生t检验确定。对于(I)和(J),通过单因素方差分析确定显著性。

神经发生障碍是抑郁症的典型标志。一致性方面,我们进一步发现UMS小鼠海马齿状回(DG)中双皮层蛋白(DCX)阳性细胞的数量显著减少,Rg1显著逆转了这一变化(图1G,H)。因此,我们进一步探讨了Rg1对海马神经营养因子的影响。我们发现UMS模型降低了Gdnf和Ngf的表达,但Rg1处理对这两个因素没有影响(图1I)。我们还比较了海马突触蛋白的mRNA表达。UMS模型降低了GluA2和CamkIIα的表达,而Rg1有效地逆转了CamkIIβ的减少(图1J)。综上所述,这些结果表明,Rg1对UMS小鼠的抗抑郁作用伴随着海马神经可塑性的改善 。qPCR分析引物入表2所示。

表2 qPCR分析引物


2. Rg1选择性地增加血清和脑组织中的IAA水平


为了了解Rg1如何影响突触可塑性和行为,尽管其在大脑中的分布较差,我们对血清进行了非靶向代谢组学分析,以寻找潜在的肠脑信号。我们发现UMS和Rg1处理组之间的多种代谢物存在差异(图2A)。通路富集分析表明,Rg1引发了代谢途径的转变,主要与不饱和脂肪酸合成和色氨酸(Trp)代谢有关(图2B)。TRP由宿主和肠道微生物群共同代谢,产生多种信号代谢物,这些代谢物已被证明是肠脑串扰和行为的多功能调节因子。为了进一步考虑人参皂苷与肠道微生物组的相互作用,我们通过一种经过验证的方法对色氨酸代谢途径进行了靶向分析。我们发现,在USM小鼠的血清中,细菌衍生的吲哚代谢物,如IAA、IAld(吲哚-3-甲醛)、ILA(吲哚-3-乳酸)、IA(吲哚-3-丙烯酸)、IPA(吲哚-3-丙酸)显著降低。Rg1持续增加血清和海马中的IAA水平,下丘脑也有增加的趋势(图2C-I),这表明IAA水平的调节可能是Rg1作用机制的一个关键方面。母离子和子离子的定量分析结果见表1。

图2 Rg1通过细菌色氨酸代谢途径增加吲哚-3-乙酸(IAA)。 A 、UMS和Rg1处理组血清代谢物的偏最小二乘判别分析(PLS-DA)分析。B、根据非靶向代谢组学,前25条富集途径的列表。C-I,血清(C,D)、回肠(E)、结肠(F)、海马(G)、下丘脑(H)和前额叶皮层(I)中色氨酸途径代谢物的浓度(n=10-12)。数据以平均值±SEM表示;*P<0.05,**P<0.01,***P<0.001。差异通过双尾非配对学生t检验(C-I)进行评估。

表1 色氨酸-吲哚途径代谢物母离子和子离子的LC-MS/MS检测参数


3. Rg1可能通过富集鼠乳杆菌增加IAA产量


微生物IAA水平的增加与之前关于Rg1和肠道微生物代谢之间密切相互作用的报道非常一致。众所周知,IAA是由梭菌、乳杆菌和拟杆菌属的细菌产生的。然而,Rg1对微生物IAA调节的详细机制尚未阐明。为了回答这个问题,首先我们试图确定UMS小鼠中Rg1调节的关键差异物种。基于16S rRNA测序和偏最小二乘判别分析(PLS-DA),我们发现对照组、UMS组和Rg1治疗组的微生物谱存在单独的聚类(图3A-B)。具体来说,在UMS暴露后,拟杆菌被下调,而厚壁菌门、放线菌门和疣状菌门被富集(图3C)。此外,在属水平上,UMS建模后, Allobaculum Muribaculaceae 下调,双歧杆菌上调(图3D)。Rg1逆转了这些变化。我们使用基于决策树的随机森林方法进行的进一步分析表明,鼠乳杆菌是排名靠前的菌株之一,这可能是一种有助于IAA生产的潜在功能细菌(图3E,F)。

图3 鼠乳杆菌可能参与Rg1的抗抑郁作用。 A 、肠道微生物组的α多样性(Shannon指数)。B、肠道微生物组β多样性的PLS-DA分析。(n=6)。C、门水平上代表性分类群的相对丰度。D、属水平上代表性分类群的相对丰度。E、线性判别分析(LDA)与效应大小测量相结合,为每个组识别判别分类群。仅显示LDA评分大于2的分类群。F、通过对不同群体中的相对丰度进行随机森林回归,确定了15个最具鉴别性的物种。G、UMS建模结束时,不同组中鼠乳杆菌的相对丰度(n=6)。差异通过Mann-Whitney U检验进行评估。H、Rg1预处理的小鼠粪便中鼠乳杆菌的相对丰度(n=12)。I、Rg1处理24小时后对鼠乳杆菌生长的影响(n=3)。J、鼠乳杆菌从Trp转化为IAA的相对浓度。数据以平均值±SEM表示;*P<0.05,**P<0.01,***P<0.001。差异通过双尾非配对学生t检验(G-J)进行评估。


事实上,我们发现UMS小鼠中鼠乳杆菌的丰度显著降低,但Rg1在UMS小鼠或对照小鼠中显著增加(图3G,H)。为了探究Rg1是否能直接影响鼠乳杆菌的生长,我们将Rg1应用于鼠乳杆菌的培养基中。Rg1对鼠乳杆菌的生长显示出促进作用(图3I),这可能部分解释了为什么它可以在UMS小鼠中富集鼠乳杆菌。为了探索鼠乳杆菌是否也可以将Trp代谢为IAA,我们检测了添加Trp的培养基中IAA的产生。我们发现,在6小时的孵育后,IAA被有效地产生(图3J),这进一步表明鼠乳杆菌可能是一种介导Rg1抗抑郁作用的功能菌株。


4.催产素信号介导Rg1的抗抑郁作用


乳杆菌物种之前已被证明可以增加大脑中的催产素(OXT)水平。OXT主要由下丘脑神经元产生,众所周知,它通过投射到海马等关键区域来促进神经发生和社会行为。因此,我们试图了解OXT信号是否参与Rg1的抗抑郁作用。UMS小鼠室旁核(PVN)中的OXT + 细胞数量显著减少,而高剂量Rg1显著恢复了该区域的OXT 细胞(图4A,B)。这一发现表明,Rg1可能通过影响UMS小鼠下丘脑-海马OXT信号发挥抗抑郁作用。







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