益生乳酸菌神经活性化合物生物合成的蛋白关联网络计算分析及其精神健康应用前景

《Discover Life》：In silico analysis of neuroactive compound biosynthesis in probiotic Lactobacillus spp. via protein association networks

　　本研究针对精神健康药物副作用问题，通过STRING(11.5)生物信息学工具分析益生乳酸菌神经活性化合物的生物合成机制。研究人员以Lactobacillus plantarum WCFS1为模型，发现其含有组氨酸、色氨酸和GABA合成关键酶（hisD、trpA、gadB），并证实这些蛋白在多种益生乳酸菌中高度保守。该研究为开发基于益生菌的精神健康干预策略提供了理论依据，具有重要的转化医学价值。

　　

当我们谈论心理健康时，很少有人会想到肠道中的微小居民。然而，科学研究正在揭示一个令人惊讶的事实：我们的肠道微生物可能通过产生特殊的神经活性化合物，直接影响大脑功能和行为。当前，精神健康问题的治疗主要依赖精神类药物，但这些药物往往伴随着内分泌和代谢方面的副作用。因此，寻找更安全、更自然的替代方案成为当务之急。

在这一背景下，Rajat Giri等研究人员将目光投向了益生菌——特别是乳酸菌属细菌。这些微生物不仅被世界卫生组织认定为安全的食品成分，还在发酵食品中广泛应用。更重要的是，越来越多的证据表明，某些乳酸菌株能够产生影响神经系统的化合物，从而可能通过"肠-脑轴"这一双向通讯网络调节大脑功能。

这项发表在《Discover Life》上的研究采用计算生物学方法，深入探究了益生乳酸菌合成神经活性化合物的分子机制。研究人员特别关注三种关键的神经活性氨基酸：L-组氨酸（L-histidine）、L-色氨酸（L-tryptophan）和γ-氨基丁酸（GABA），这些化合物分别是重要神经递质组胺、血清素和GABA的前体或本身。

研究采用的关键技术方法包括：利用STRING(11.5)数据库进行蛋白关联网络分析，以Lactobacillus plantarum WCFS1为模型识别神经活性氨基酸合成关键酶；通过K-means聚类算法进行网络功能富集分析；使用BLASTP进行序列比对分析不同乳酸菌株间蛋白同源性；基于KEGG通路数据库进行代谢通路可视化分析。

3.1 调节神经活性氨基酸产生的蛋白质

研究发现L. plantarum WCFS1含有完整的神经活性氨基酸合成酶系统：色氨酸合成酶β亚基（trpA）负责催化吲哚和L-丝氨酸合成L-色氨酸；组氨醇脱氢酶（hisD）催化L-组氨醇经NAD依赖性氧化生成L-组氨酸；谷氨酸脱羧酶（gadB）通过脱羧反应将L-谷氨酸转化为GABA。这些酶的共存表明该菌株具有同时产生多种神经活性化合物的潜力。

3.2 网络功能富集分析

通过K-means聚类（K=3）将蛋白质数据集网络分组后，发现hisD相关蛋白形成两个功能簇（CL:1323和CL:1326），trpA及其相关蛋白与色氨酸生物合成通路（CL:1352）完全关联，而gadB则与天冬酰胺代谢相关（CL:1914）。进一步分析发现hisD和trpA的功能伙伴分别与L-组氨酸和L-色氨酸生物合成的 curated 通路/复合物相关联，而gadB的功能伙伴（gdh和glnA）可能与谷氨酰胺生物合成相关，间接支持GABA的产生。

3.3 神经活性氨基酸调节蛋白在其他益生乳酸菌中的共存

序列比对显示，组氨醇脱氢酶（hisD）和色氨酸合成酶β亚基（trpA）在Lactobacillus buchneri CD034、Lactobacillus casei BL23和Lactobacillus rhamnosus GG中均存在高度同源蛋白（比对分数>500比特），表明这些益生菌株也具有产生神经活性化合物的遗传基础。

3.4 跨物种共表达分析

功能伙伴的共表达分析显示，hisD-hisF、trpA-trpC等基因对在大肠杆菌K12 MG1655、酿酒酵母等模式生物中均存在显著共表达（分数>0.5），表明这些蛋白功能关联在进化上具有保守性。

3.5 与神经活性氨基酸产生相关蛋白的 curated 通路/复合物关联及其对肠-脑轴的影响

KEGG通路分析证实L. plantarum WCFS1拥有从PRPP（磷酸核糖焦磷酸）合成L-组氨酸、从分支酸合成L-色氨酸以及从L-谷氨酸合成GABA的完整酶系统。研究还提出了这些神经活性化合物的代谢整合模型：碳水化合物代谢产生的PRPP和邻氨基苯甲酸可分别作为L-组氨酸和L-色氨酸的合成前体，而过量的L-组氨酸降解产生的L-谷氨酸又可作为GABA合成的底物。

研究讨论部分深入探讨了这些发现的意义。精神健康与睡眠-觉醒周期密切相关，而神经递质如组胺和血清素促进觉醒，GABA则促进睡眠。微生物产生的L-组氨酸和L-色氨酸可通过血脑屏障，在脑中转化为相应的神经递质，而GABA本身也可能在一定条件下穿越血脑屏障。这些化合物通过激活不同的G蛋白偶联受体（GPCRs）调控神经元活动：组胺H1受体（Gqα）和血清素5-HT2受体（Gq/11）激活磷脂酶C（PLC）信号，增加细胞内钙离子浓度；而GABA_B受体（Gi/o）则抑制腺苷酸环化酶（AC），降低cAMP水平，最终影响神经元兴奋性。

该研究的结论强调，L. plantarum WCFS1含有完整的神经活性代谢物合成调控网络，这些网络在多种益生乳酸菌中保守存在。这些发现为开发基于益生菌的"心理生物制剂"（psychobiotics）提供了分子基础，有望为精神健康问题的预防和治疗提供新的解决方案。然而，作者也指出本研究纯属计算分析，未来需要通过实验验证这些预测，包括关键基因的表达检测、代谢物定量分析以及肠-脑轴模型验证。

这项研究的重要意义在于它将计算生物学与神经科学、微生物学交叉融合，为理解微生物-肠-脑轴提供了新的分子视角。随着精神健康问题日益受到关注，这种基于天然微生物的干预策略可能为数百万受心理健康问题困扰的人们带来新的希望。未来，含有特定神经活性化合物产生能力的益生菌制剂可能成为传统精神药物的有效补充或替代方案，为心理健康管理提供更加个性化和自然的选择。