Comparative Analysis of Gut Metagenomes of Patients with Depression by Signature Genes of Faecalibacterium prausnitzii at the Strain Level

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Using two different methodological approaches, bioinformatic and quantitative PCR, a comparative analysis of gut metagenomes of patients with depression and healthy volunteers was carried out based on the representation of signature bacterial genes encoding key enzymes for the production of metabolites as biomarkers for depression, complementary genes from the genomes of the commensal bacterium Faecalibacterium prausnitzii. Using the in-silico approach, the strain specificity of biomarker genes was revealed, their clustering into groups was carried out and their distribution in 36 metagenomes of patients with depression and 38 healthy volunteers was investigated. Primers were selected for a number of genes from the most common groups. Using them, a quantitative PCR analysis of 15 metagenomes from patients with depression and 15 metagenomes from healthy volunteers was performed. A comparative analysis of the data obtained revealed a statistically significant decrease in the level of representation of genes encoding glutamate synthase GltB, asparagine synthetase AsnA, serine- hydroxymethyltransferase in gut metagenomes of patients with depression. Based on the data obtained, these genes can be recommended as biomarkers for the development of test systems for the diagnosis of clinical depression by the gut microbiome.

About the authors

O. V. Averina

Vavilov Institute of General Genetics Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: olgavr06@mail.ru
Russian Federation, Moscow, 119991

A. S. Kovtun

Vavilov Institute of General Genetics Russian Academy of Sciences

Email: olgavr06@mail.ru
Russian Federation, Moscow, 119991

V. N. Danilenko

Vavilov Institute of General Genetics Russian Academy of Sciences

Email: olgavr06@mail.ru
Russian Federation, Moscow, 119991

References

  1. Dantzer R., O’Connor J.C., Freund G.G. et al. From inflammation to sickness and depression: When the immune system subjugates the brain // Nat. Rev. Neurosci. 2008. V. 9. № 1. P. 46–56. https://doi.org/10.1038/nrn2297
  2. Bachmann S. Epidemiology of suicide and the psychiatric perspective // Int. J. Environ. Res. Public Health. 2018. V. 15. № 7. https://doi.org/10.3390/ijerph15071425
  3. Meyyappan A.C., Forth E., Wallace C.J.K. et al. Effect of fecal microbiota transplant on symptoms of psychiatric disorders: a systematic review // BMC Psychiatry. 2020. V. 20. № 1. e299. https://doi.org/10.1186/s12888-020-02654-5
  4. Аверина О.В., Даниленко В.Н. Микробиота кишечника человека: роль в становлении и функционировании нервной системы // Микробиология. 2017. Т. 86. № 1. С. 1–19. https://doi.org/10.7868/S0026365617010050
  5. Averina O.V., Zorkina Y.A., Yunes R.A. et al. Bacterial metabolites of human gut microbiota correlating with depression // Int. J. Mol. Sci. 2020. V. 21. № 23. e9234. https://doi.org/10.3390/ijms21239234
  6. Averina O.V., Poluektova E.U., Zorkina Y.A. et al. Diagnosis and treatment of depression // Int. J. Mol. Sci. 2024. V. 25. № 11. https://doi.org/10.3390/ijms25115782
  7. Kovtun A.S., Averina O.V., Angelova I.Y. et al. Alterations of the composition and neurometabolic profile of human gut microbiota in major depressive disorder // Biomedicines. 2022. V. 10. № 9. https://doi.org/10.3390/biomedicines10092162
  8. Hao Z., Wang W., Guo R. et al. Faecalibacterium prausnitzii (ATCC 27766) has preventive and therapeutic effects on chronic unpredictable mild stress-induced depression-like and anxiety-like behavior in rats // Psychoneuroendocrinology. 2019. V. 104. P. 132–142. https://doi.org/10.1016/j.psyneuen.2019.02.025
  9. Camacho C., Coulouris G., Avagyan V. et al. BLAST+: Architecture and applications // BMC Bioinform. 2009. V. 10. № 10. https://doi.org/10.1186/1471-2105-10-421
  10. Quinlan A.R., Hall I.M. BEDTools: A flexible suite of utilities for comparing genomic features // Bioinformatics. 2010. V. 26. № 6. P. 841–842. https://doi.org/10.1093/bioinformatics /btq033
  11. Wood D.E., Salzberg S.L. Kraken: Ultrafast metagenomic sequence classification using exact alignments // Genome Biol. 2014. V. 15. № 3. https://doi.org/10.1186/gb-2014-15-3-r46
  12. Sievers F., Wilm A., Dineen D. et al. Fast, scalable generation of high-quality protein multiple sequence alignments using Clustal Omega // Mol. Syst. Biol. 2011. V. 5. e539. https://doi.org/10.1038/msb.2011.75
  13. Untergasser A., Nijveen H., Rao X. et al. Primer3Plus, an enhanced web interface to Primer3 // Nucl. Acids Res. 2007. V. 35. P. W71–W74. https://doi.org/10.1093/nar/gkm306
  14. Cao Y., Shen J., Ran Z.H. Association between Faecalibacterium prausnitzii reduction and inflammatory bowel disease: A meta-analysis and systematic review of the literature // Gastroenter. Resear. Pract. 2014. V. 2014. https://doi.org/10.1155/2014/872725
  15. Fitzgerald C.B., Shkoporov A.N., Sutton T.D.S. et al. Comparative analysis of Faecalibacterium prausnitzii genomes shows a high level of genome plasticity and warrants separation into new species-level taxa // BMC Genom. 2018. V. 19. № 1. e931. https://doi.org/10.1186/s12864-018-5313-6
  16. De Filippis F., Pasolli E., Ercolini D. Newly explored Faecalibacterium diversity is connected to age, lifestyle, geography, and disease // Curr. Biol. 2020. V. 30. № 24. P. 4932–4943. https://doi.org/10.1016/j.cub.2020.09.063
  17. Lopez-Siles M., Duncan S.H., Garcia-Gil L.J. et al. Faecalibacterium prausnitzii: From microbiology to diagnostics and prognostics // ISME J. 2017. V. 11. P. 841–852.
  18. Lopez-Siles M., Martinez-Medina M., Suris-Valls R. et al. Changes in the abundance of Faecalibacterium prausnitzii phylogroups I and II in the intestinal mucosa of inflammatory bowel disease and patients with colorectal cancer // Inflamm. Bowel Dis. 2016. V. 22. № 1. P. 28–41. https://doi.org/10.1097/MIB.0000000000000590
  19. Benevides L., Burman S., Martin R. et al. New insights into the diversity of the genus Faecalibacterium // Front. Microbiol. 2017. V. 8. https://doi.org/10.3389/fmicb.2017.01790
  20. Bai Z., Zhang N., Jin Y. et al. Comprehensive analysis of 84 Faecalibacterium prausnitzii strains uncovers their genetic diversity, functional characteristics, and potential risks // Front. Cell. Infect. Microbiol. 2023. V. 12. https://doi.org/10.3389/fcimb.2022.919701
  21. Li W., Lin X., Liang H. et al. Genomic and functional diversity of the human-derived isolates of Faecalibacterium // Front. Microbiol. 2024. V. 15. https://doi.org/10.3389/ fmicb.2024.1379500
  22. Tanno H., Chatel J.-M., Martin R. et al. A new gene markers for classification and quantification of Faecalibacterium spp. in the human gut // FEMS Microbiol. Ecology. 2023. V. 99. № 5. https://doi.org/10.1093/femsec/fiad035
  23. Fu X., Lu Y., Wu J. et al. Alterations of plasma aspartic acid, glycine and asparagine levels in patients with major depressive disorder // Zhejiang Da Xue Xue Bao Yi Xue Ban 2012. V. 41. № 2. P. 132–138. Chinese. PMID: 22499508
  24. Pu J., Liu Y., Zhang H. et al. An integrated meta-analysis of peripheral blood metabolites and biological functions in major depressive disorder // Mol. Psychiatry. 2021. V. 26. P. 4265–4276. https://doi.org/10.1038/s41380-020-0645-4
  25. Yang X., Wang G., Gong X. et al. Effects of chronic stress on intestinal amino acid pathways // Physiology & Behavior. 2019. V. 204. P. 199–209. https://doi.org/ 10.1016/j.physbeh. 2019. 03.001

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Supplement
Download (41KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».