百趣代谢组学解读-ASD研究

近年来，代谢组学中关于肠道菌群研究，不仅高关注，而且高分。前不久，小编分享了一篇肠道菌群与癫痫疾病相关的文章。这次，它又跟自闭症谱系障碍（ASD）“好”上了，还不快跟小编一起来八卦一下。

文献题目

Human Gut Microbiota from Autism Spectrum Disorder Promote Behavioral Symptoms in Mice Sharon et al., 2019, Cell 177, 1600–1618. IF=31.398

01研究背景

自闭症谱系障碍（ASD）是广泛意义上的自闭症，是一种较为严重的发育障碍性疾病，其核心症状就是所谓的“三联症”，包括社会性和交流能力障碍、语言能力障碍、仪式化的刻板行为三个方面。

百趣代谢组学解读，肠道菌群和ASD之间的潜在联系早在二十年前就被提出了，而且大量研究表明肠道细菌可能会影响行为症状，但肠道菌群对ASD的病理生理学和行为结果的直接贡献以前没有过相关报道。作者提出假设：肠道菌群代谢物影响大脑功能和调节行为，并以此研究验证。

研究结果

1、ASD患者的肠道菌群足以促进小鼠行为的改变

首先，作者将TD（对照）或ASD患者微生物群移植到GF雄鼠和雌鼠体内，其成年后代（oTD和oASD）通过埋珠实验（MB）、敞箱实验（OFT）和超声发声（USV）测试发现，oASD小鼠与oTD小鼠相比，表现出重复行为增多，社交能力降低和运动能力减少，直接社会互动测试(DSI)进一步验证了上述特征。百趣代谢组学解读，表明人类ASD患者的微生物群移植到小鼠可以转移ASD相关的行为缺陷。

2、TD和ASD定殖的小鼠藏有与行为相关的不同细菌种类

接着作者根据16S rRNA基因序列通过DESeq2计算鉴定了oTD和oASD微生物群之间的细菌分类群。总共有31个扩增子序列变异体 (ASVs) 在各组之间差异丰富。这些ASVs主要属于梭菌纲和拟杆菌纲。属于拟杆菌纲的ASVs与大多数TD对照相关，如Bacteroides ovatus 和Parabacteroides merdae 在所有oTD样品中普遍存在，而在大部分oASD样品中均不存在。相反，Eisenbergiela tayi 在所有oASD小鼠中普遍存在，而不存在于oTD组中。百趣代谢组学解读，后续研究发现Bacteroides spp. 和 P. merdae 与减少重复行为和增加社会行为相关。相反，E.Tayi与增加重复行为和减少社会交往行为相关。表明特定细菌种类与oTD或oASD样本有关，也与ASD相关行为高度相关，支持了特定细菌可能导致ASD各种症状的假设。

3、ASD微生物群促进脑内ASD相关基因的广泛选择性剪接

社会行为由多个大脑区域介导，包括前额叶皮质 (PFC) 和纹状体 (STR)。通过基因集富集分析 (GSEA) 发现在oASD脑中存在显著不同的几条KEGG途径。在oASD小鼠中上调的KEGG通路中有与剪接体相关的基因，这表明微生物群参与了剪接调节。作者在几个ASD相关基因中检测到差异剪接事件，主要是在oASD小鼠的STR中，如正常认知发育所必需的基因FMR1等，在小鼠PFC中显示异常剪接的基因包括POGZ，CACNA1C 等。百趣代谢组学解读，表明肠道微生物不仅调节小鼠脑中的基因表达，而且还影响选择性剪接，并可以调节ASD所涉及的特定基因异构体的产生。

4、来自TD-和ASD-定殖小鼠的微生物群产生离散代谢物图谱

由于肠道细菌可以通过各种途径影响基因表达和宿主行为，包括产生神经活性小分子。作者对oTD和oASD小鼠的结肠内容物 (图A和B) 和相应的血清 (图C) 进行了非靶向代谢组学分析。与oTD小鼠相比，在313个检测到的代谢物中有27个在oASD小鼠的结肠内容物中有显著不同 (图A-F)。oASD小鼠结肠内容物中氨基酸浓度较高，值得关注的是，抑制性γ-氨基丁酸(GABA)和甘氨酸受体的几种激动剂和拮抗剂存在差异 (图G-I)。百趣代谢组学解读，其中，5-氨基戊酸 (5AV) 在oASD小鼠中明显降低 (图G)。5AV是一种弱的GABA受体激动剂，在ASD患者中明显降低。在ASD患者的一个亚群中发现另一种弱的GABA受体激动剂 (和一种有效的甘氨酸受体激动剂)，即牛磺酸的水平较低。有趣的是，oASD小鼠的牛磺酸比oTD小鼠少50% (图H)。总而言之，较低水平的5AV和牛磺酸表明肠道微生物可能会影响抑制性GABA信号传导。3-氨基异丁酸 (3AIBA，胸腺嘧啶和弱甘氨酸受体激动剂的降解产物)，在OASD小鼠中增加 (图I)。在oASD小鼠结肠中升高的其他生物活性分子是大豆衍生异黄酮、染料木素和大豆苷元 (图J)。百趣代谢组学解读，虽然21种血清代谢物在oASD vs oTD小鼠中差异丰富 (8种已鉴定)，但只有染料木素在结肠内容物和血清中有显著差异 (图C，F和J)。神经发育和行为与染料木素，大豆苷元及其降解产物有关。这些代谢物水平的升高表明OASD微生物群中的饮食营养代谢细菌减少。

5、通过给药特定代谢物可以纠正小鼠ASD相关的异常行为

非靶向代谢组学分析发现牛磺酸（半胱氨酸或牛磺胆酸的代谢产物）和5AV（脯氨酸的发酵产物）这两种GABA受体激动剂都在OTD小鼠的结肠中增加。牛磺酸对于大脑发育是必不可少的，5AV在小鼠中起抗惊厥作用。作者提出假设，牛磺酸和5AV是微生物群产生的神经活性代谢产物。从受孕开始给BTBR（有已知的微生物群）小鼠注射牛磺酸或5AV都减弱了ASD相关的行为改变，即刻板印象和社会障碍。百趣代谢组学解读，这些GABA受体激动剂可能会扰乱大脑中的E-I平衡。结果表明，牛磺酸可以延迟神经元的兴奋性-抑制性发育转换，5AV可降低mPFC中L5锥体神经元的兴奋性，并且还可能通过其他机制作用于脑功能。总之，这些发现提供了实验证据，证明微生物代谢物可以在小鼠模拟ASD的背景下介导肠道和大脑之间的通讯。

尾声

作者提出ASD的病因学可能在于人类基因组，人类微生物群，或两者通过基因-环境相互作用。百趣代谢组学解读，虽然基因组编辑的前景可观，但基于微生物群的干预措施，如益生菌、粪便微生物群移植或代谢物的开发，可能为解决ASD的终生挑战提供一种及时和可处理的方法。

敲黑板，划重点，百趣代谢组学解读，本文亮点是：

1、含人类ASD微生物群的小鼠表现出类似ASD的行为；

2、ASD和TD微生物群在小鼠体内产生差异代谢谱；

3、ASD微生物群小鼠脑内风险基因的广泛选择性剪接；

4、用5AV或牛磺酸处理的BTBR小鼠改善了重复性行为和社会行为。