科学家探索遗传学,肠道微生物组和记忆之间的分子联系

遗传学肠道微生物组记忆

信用:Nathan Johnson / PNNL

一种通常由肠道微生物产生的分子似乎可以改善老鼠的记忆力。

一项新的研究是首批追踪遗传学、肠道微生物群和记忆之间的分子联系的研究之一,该研究在老鼠模型中培育,以类似于人类群体的多样性。

虽然之前已经发现了肠道微生物群和大脑之间的联系,但来自美国能源部两个国家实验室的一组研究人员发现了肠道和大脑之间切实联系的新证据。该团队发现乳酸是一种肠道微生物产生的分子,是增强记忆的关键分子信使。这项研究最近发表在杂志上BMC微生物

“我们的研究表明,随着遗传学的微生物实力的合作伙伴,影响记忆,”珍妮特杨松,在西北太平洋国家实验室(PNNL)微生物生态学家和研究的通讯作者说。

科学家们知道这已经喂过饲料的微生物是有利于身体健康,被称为益生菌,经历了一些积极的好处,小鼠。科学家们也知道,微生物产生分子通过血液旅游和充当影响到身体的其他部位,包括大脑化学信使。但是,目前还不清楚其具体的微生物以及微生物的分子信使可能影响记忆至今。

“挑战在于,老鼠独特的基因组成和环境条件也会影响它的记忆和微生物群,”劳伦斯伯克利国家实验室(Berkeley Lab)的生物科学家、共同通讯作者安东尼·斯尼德斯(Antoine Snijders)说。“要知道微生物分子是否影响记忆,我们需要了解遗传学和微生物组之间的相互作用。”

微生物群对记忆的影响现在是一个非常活跃的研究领域,他补充说,在过去的五年里发表了100多篇关于普通益生菌和记忆之间联系的论文。

小鼠遗传学影响记忆和肠道微生物群

之前,他们可以开始寻找可能与改善记忆,杨松,Snijders,并确定遗传学如何影响记忆需要他们的同事参与分子。

研究人员从一组被称为协作杂交的老鼠开始。他们培育了29种不同品种的小鼠,以模拟人类种群的遗传和生理多样性。它包括不同大小、皮毛颜色和性情(如胆小或大胆)的老鼠。研究人员还知道每个菌株的基因组序列。

首先,该团队给出了每种小鼠的每个小鼠的记忆测试。然后,它们筛选每个菌株进行遗传变化,并将这些变化与记忆结果相关联。他们发现两组与记忆相关的基因。一个是一种影响认知的一组新的候选基因,而另一组基因已经已知。

接下来,研究人员分析了每一种菌株的肠道微生物群,这样他们就可以将微生物与基因和记忆联系起来。他们确定了四种与改善记忆力有关的微生物家族。其中最常见的是一种乳酸菌,罗伊氏乳杆菌。

为了测试这种关联,研究人员喂罗伊氏乳杆菌到无菌小鼠没有任何肠道微生物,然后测试小鼠的记忆。他们看到显著相对于那些没有喂养微生物无菌小鼠改进。他们也发现了同样的改进,当他们喂食其他两种乳酸杆菌无菌小鼠之一。

“虽然乳杆菌和内存之间的联系此前报道中,我们也发现了它独立于这个偏见的遗传屏幕,” Snijders说。“这些结果表明在很大程度上控制存储器遗传变异,以及跨菌株肠道微生物的组合物的差异。”

饮食和益生菌可以提高记忆力

最后,研究人员想要确定哪些与微生物相关的分子可能与增强记忆有关。他们分析了无菌小鼠的粪便、血液和脑组织,每只小鼠都喂食了特定种类的乳酸菌。乳酸是常见的代谢分子副产物之一;它也是所有乳酸菌菌株产生的一种分子。

研究小组给之前被发现记忆力较差的老鼠喂食乳酸,并注意到它们的记忆力有所改善。喂食乳酸或乳酸菌的小鼠体内-氨基丁酸水平也有所增加(GABA),一种与大脑中记忆形成有关的分子信使。

要查看是否相同的分子机制可能在人类施加太大,研究人员接触保罗Wilmes,在卢森堡大学,谁开发一个小小的芯片,模拟由微生物与人体肠道组织相互作用。当Wilmes和他的同事在这个芯片测试罗伊氏乳杆菌,他们看到了通过人体肠道组织走过的微生物产生的乳酸,这表明它可能会进入血液,并可能旅行到大脑。

“虽然这项研究强化了饮食、基因和行为(比如记忆)之间的联系,但还需要进一步的工作来证明乳酸菌是否可以改善人类的记忆,”詹森说。

Snijders表示同意,并称有可能一天使用益生菌来提高目标人群,记忆如患有学习障碍和神经退行性疾病。

Reference: “Genetic and metabolic links between the murine microbiome and memory” by Jian-Hua Mao, Young-Mo Kim, Yan-Xia Zhou, Dehong Hu, Chenhan Zhong, Hang Chang, Colin Brislawn, Sasha Langley, Yunshan Wang, B. Y. Loulou Peisl, Susan E. Celniker, David W. Threadgill, Paul Wilmes, Galya Orr, Thomas O. Metz, Janet K. Jansson and Antoine M. Snijders, 17 April 2020,BMC微生物
DOI:10.1186 / S40168-020-00817-W

这项工作是由海军研究办公室,伯克利实验室的实验室,指导研究与发展(LDRD)计划,并PNNL的LDRD项目资助。

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