人类疾病的发生是由基因与环境相互作用引起的，而生活在人体体内和表面的微生物是目前公认的引起人类疾病的重要环境因素。随着“人类微生物组计划（Human Microbiome Project, HMP）”的正式启动和多组学技术的发展，越来越多的研究证实了肠道微生物通过肠-脑轴对抑郁障碍具有重要的调节作用。然而，其具体机制至今仍不清楚。

近日，来自重庆医科大学附属第一医院谢鹏教授团队在国际著名期刊Journal of Advanced Research（IF = 10.479）发表重要研究成果。该研究通过分析“人源化”抑郁小鼠海马组织中蛋白乙酰化（Kac）和琥珀酰化（Ksucc）水平变化，揭示了肠道微生物调控抑郁障碍的潜在机制。重庆医科大学附属永川医院刘兰香博士后为第一作者，重庆医科大学附属第一医院谢鹏教授为通讯作者。景杰生物为该研究提供乙酰化和琥珀酰化修饰组学技术服务及相关生物信息学分析支持。

研究人员首先采用肠道微生物移植方法成功构建了“人源化”抑郁小鼠模型。为分析肠道微生物紊乱是否引起Kac和Ksucc修饰水平变化，作者对小鼠海马组织进行了Kac和Ksucc修饰蛋白组学检测，结果发现肠道微生物紊乱可广泛调控蛋白Kac和Ksucc修饰。与“健康菌群”受体小鼠相比，“抑郁菌群”受体小鼠中315个Kac位点、624个Ksucc位点具有显著差异。为探索Kac和Ksucc修饰位点对蛋白质功能的影响，研究人员对差异位点进行了二级结构预测，结果显示，蛋白二级结构内和蛋白表面存在明显的Kac和Ksucc修饰改变，表明肠道微生物调节的赖氨酸Kac和Ksucc修饰可改变蛋白活性及表面特性。

图1、“人源化”抑郁小鼠模型海马组织Kac和Ksucc修饰蛋白组学检测

已知在真核细胞内有20多种PTM，为探索Kac和Ksucc修饰与其他PTM类型的相互作用和影响，研究人员基于小鼠脑组织已知修饰位点数据库分析，发现238个前期已报道的Kac位点；347个Kac位点和485个Ksucc位点与泛素化修饰位点重叠；143个Kac位点和186个Ksucc位点附近存在不同类型的PTMs。以上分析表明赖氨酸Kac和Ksucc与其他类型的PTM表达存在相关性。

亚细胞定位分析显示，Kac蛋白主要富集于细胞核和线粒体；Ksucc蛋白绝大部分存在于细胞质，表明肠道微生物可通过改变相关蛋白的Kac水平来调节细胞核内生物过程和线粒体功能；通过改变Ksucc水平来调节细胞内广泛的生物学过程。KEGG富集分析显示，Kac蛋白主要与碳代谢紊乱有关，而Ksucc蛋白主要与突触囊泡循环障碍有关。进一步分析发现，氨基酸合成、糖酵解、糖异生、丙酮酸代谢、三羧酸循环和氧化磷酸化等功能通路可同时被Kac和Ksucc修饰，这些功能通路主要发生在线粒体内，表明肠道微生物紊乱可通过引起相关蛋白Kac和Ksucc的改变来影响线粒体功能。

图2、富集通路overlap分析

为探究差异修饰蛋白之间的相互作用，研究人员对差异Kac和Ksucc蛋白分别进行了蛋白-蛋白互作分析。在Kac蛋白分析中，发现组蛋白改变相关的生物功能和细胞周期两个富集的网络；在Ksucc蛋白分析中，发现核糖体、内吞过程和氧化磷酸化富集网络，这表明肠道微生物紊乱可通过改变组蛋白Kac水平影响转录过程，并可通过改变核糖体蛋白Ksucc水平影响翻译过程。综上，肠道微生物紊乱可通过引起蛋白翻译后修饰改变影响基因表达。

图3、蛋白相互作用分析

最后，为探索肠道微生物调控的蛋白复合体及其功能，研究人员对差异Kac和Ksucc蛋白分别进行了蛋白复合体富集分析。结果发现，4种显著富集的蛋白复合体可同时被Kac和Ksucc修饰调节，这些蛋白复合体主要与MAPK信号通路有关。这表明肠道微生物紊乱可通过改变MAPK信号通路中相关蛋白的Kac和Ksucc修饰水平来参与抑郁障碍的发病。

图4、蛋白复合体分析

本研究从蛋白翻译后修饰层面探索了肠道微生物紊乱参与调节抑郁障碍的发生发展的机制，结果发现肠道微生物紊乱可引起抑郁小鼠海马组织中乙酰化和琥珀酰化水平改变，其中肠道微生物紊乱引起的Kac修饰蛋白改变主要与碳代谢扰乱和转录抑制有关；而肠道微生物紊乱引起的Ksucc修饰蛋白改变主要与突触囊泡循环紊乱和蛋白翻译过程障碍有关。此外，肠道微生物紊乱可通过Kac和Ksucc修饰的相互作用共同引起线粒体功能障碍及MAPK信号通路紊乱。