Abstract Evidence is mounting that the gut-brain axis plays an important role in mental diseases fueling mechanistic investigations to provide a basis for future targeted interventions. However, shotgun metagenomic data from treatment-naïve patients are scarce hampering comprehensive analyses of the complex interaction between the gut microbiota and the brain. Here we explore the fecal microbiome based on 90 medication-free schizophrenia patients and 81 controls and identify a microbial species classifier distinguishing patients from controls with an area under the receiver operating characteristic curve (AUC) of 0.896, and replicate the microbiome-based disease classifier in 45 patients and 45 controls (AUC = 0.765). Functional potentials associated with schizophrenia include differences in short-chain fatty acids synthesis, tryptophan metabolism, and synthesis/degradation of neurotransmitters. Transplantation of a schizophrenia-enriched bacterium, Streptococcus vestibularis , appear to induces deficits in social behaviors, and alters neurotransmitter levels in peripheral tissues in recipient mice. Our findings provide new leads for further investigations in cohort studies and animal models.

Human exposure to per- and polyfluoroalkyl substances (PFASs) has received considerable attention, particularly in pregnant women because of their dramatic changes in physiological status and dietary patterns. Predicting internal PFAS exposure in pregnant women, based on external and relevant parameters, has not been investigated. Here, machine learning (ML) models were developed to predict the serum concentrations of PFOA and PFOS in a large population of 588 pregnant participants. Dietary exposure characteristics, demographic parameters, and in particular, serum fatty acid (FA) data were used for the model development. The fitting results showed that the inclusion of FAs as covariates significantly improved the performance of the ML models, with the random forest (RF) model having the best predictive performance for PFOA (R2 = 0.33, MAE = 1.51 ng/mL, and RMSE = 1.89 ng/mL) and PFOS (R2 = 0.12, MAE = 2.65 ng/mL, and RMSE = 3.37 ng/mL). The feature importance analysis revealed that serum FAs greatly affected PFOA concentration in the pregnant women, with saturated FAs being associated with decreased PFOA levels and unsaturated FAs with increased levels. Comparison with one-compartment pharmacokinetic model further demonstrated the advantage of the ML models in predicting PFAS exposure in pregnant women. Our models correlate for the first time blood chemical concentrations with human FA status using ML, introducing a novel perspective on predicting PFAS levels in pregnant women. This study provides valuable insights concerning internal exposure of PFASs generated from external exposure, and contributes to risk assessment and management in pregnant populations.

Emerging evidence has linked the gut microbiota to schizophrenia. However, the functional changes in the gut microbiota and the biological role of individual bacterial species in schizophrenia have not been explored systematically. Here, we characterized the gut microbiota in schizophrenia using shotgun metagenomic sequencing of feces from a discovery cohort of 90 drug free patients and 81 controls, as well as a validation cohort of 45 patients taking antipsychotics and 45 controls. We screened 83 schizophrenia associated bacterial species and constructed a classifier comprising 26 microbial biomarkers that distinguished patients from controls with a 0.896 area under the receiver operating characteristics (ROC) curve (AUC) in the discovery cohort and 0.765 ROC AUC in the validation cohort. Our analysis of fecal metagenomes revealed that schizophrenia-associated gut brain modules (GBMs) included short chain fatty acids synthesis, tryptophan metabolism, and synthesis/degradation of neurotransmitters including glutamate, GABA, and nitric oxide. The schizophrenia enriched gut bacterial species include several oral cavity resident microbes, such as Streptococcus vestibulari. We transplanted S. vestibularis into the gut of the mice with antibiotic induced microbiota depletion to explore its functional role. We observed that this microbe transiently inhabited the mouse gut and this was followed by hyperactivity and deficit in social behaviors, accompanied with altered neurotransmitter levels in peripheral tissues. In conclusion, our study identified 26 schizophrenia associated bacterial species representing potential microbial targets for future treatment, as well as GBMs, some of which may give rise to new microbial metabolites involved in the development of schizophrenia.

Objective: Gut microbiota dysbiosis and aberrant gut-brain functional modules including short-chain fatty acid (SCFA) production and long-lasting immune activation (IA) are presented in schizophrenia. Given the key roles of gut microbiota and SCFA in shaping immunity, we propose that dysbiosis-induced SCFA upregulation could contribute to IA and behavioral symptoms in schizophrenia. Design: Gut microbiota, SCFA, and IA biomarkers were compared between schizophrenic patients and healthy controls. The roles of SCFA in schizophrenia-related IA were analyzed in cultured peripheral blood mononuclear cells (PBMCs) and a mouse model of schizophrenia. The effects of SCFAs on schizophrenia-related phenotypes were analyzed in both human and mouse. Results: Both microbial-derived SCFA and SCFA-producing bacteria were elevated in the guts of schizophrenic patients, and this increased SCFA production in gut was associated with IA in schizophrenia. The microbiome signature underpinning schizophrenia-related IA includes increased diversity and increased SCFA-producing bacteria and inflammation-associated bacteria. The impact of SCFAs on immune responses of cultured PBMC depend on the diagnosis and IA status of donors. Small-molecule serum filtrates from immune-activated schizophrenic patients increased the inflammatory response of PBMCs from healthy volunteers, which can be enhanced and attenuated by SCFAs supplementation and inhibition of SCFA signaling, respectively. Chronically elevated SCFAs in adolescence induced neuroinflammation and schizophrenia-like behaviors in adult mice. Moreover, chronically elevated SCFAs in adult mice prenatally exposed to IA potentiated their expression of schizophrenia-like behaviors. Conclusion: microbiota-derived SCFAs are important mediators of dysregulated gut-brain axis and participant in pathogenesis via enhance IA in schizophrenia.### Competing Interest StatementThe authors have declared no competing interest.