Nat Microbiol. 19.4 | 孕期蛋白质摄入不足致胎儿学习记忆障碍！Nature子刊测序+代谢组揭示微生物影响脑发育机制

蛋白质营养不足会导致儿童生长发育和神经行为发育受损。然而，时间、环境因素以及母体与新生儿的影响尚不清楚。

非靶代谢组学技术、转录组学、16S测序、行为学测试、免疫表型检测、乳汁组分测定

作者研究了母鼠孕期蛋白质限制（PR）对子代成年期行为的影响，使用了交叉哺育模型，并在成年后（P90）进行行为测试（图1A-B）。在开放场测试中，PR→PR组（孕期与哺育期均经历PR）在中央停留的时间和距离（图1C-D）均显著减少，提示出现焦虑样行为，且该现象在雌鼠中更明显。在Barnes迷宫空间学习记忆测试中，PR→PR组在学习阶段的逃逸潜伏期延长、进入目标区域潜伏期增加（图1E-F），显示学习能力受损。在24小时回忆测试（probe trial）中，PR→PR组在目标区域停留时间反而延长（图1G），提示可能存在记忆固着（perseveration）或回忆能力增强，但犯错次数未见显著差异（图1H），且性别无明显影响。这些结果说明，孕期蛋白限制不仅影响胎儿发育，还改变母体生理状态，并在产后与子代相互作用，导致成年子代在充分营养下依然表现出焦虑样行为和学习记忆障碍。此外，PR→PR组在出生后体重可迅速恢复，但存活率最低（26.5%），提示蛋白限制对胎儿健康的直接影响与母体健康的间接影响共同决定子代存活及长期神经行为结局。这揭示了孕期蛋白限制对子代神经行为程控的关键作用。

图1. 产前母体蛋白质限制对于成年后代认知和焦虑样行为缺陷的形成至关重要

作者通过对E18.5胎鼠脑转录组和代谢组测定，揭示孕期蛋白限制（PR）如何程控子代不良行为结局。在转录组分析中，PR组胎脑共上调505个基因、下调423个，上调基因主要涉及神经元凋亡、离子和氨基酸转运及对生长因子应答（图2A-B），提示存在补偿性“脑优先保护（brain sparing）”机制。蛋白互作分析显示，上调基因富集于氨基酸分解代谢、H4组蛋白乙酰转移酶和神经肽信号通路，下调基因富集于TORC1信号调控和神经发育（图2C），暗示PR可能引发神经免疫扰动。火山图进一步确认差异表达情况（图2D）。有45个差异表达基因与自闭症风险基因库重合（图2E），提示PR可能增加神经发育障碍风险。

代谢组结果显示，PR组胎脑与对照显著区分，220种代谢物改变，其中98种氨基酸和84种脂质最为显著（图2F-G），氨基酸相关代谢物有50%降低。代谢通路分析（图2H）显示，PR影响组氨基酸合成及分解、半胱氨酸和蛋氨酸代谢、甘氨酸和丝氨酸代谢等关键神经发育相关通路。随机森林分析显示胎脑代谢物预测准确率达100%（图2I，且尿素和假牛磺酸大幅下降（分别仅为对照的10.1%和24.0%），假牛磺酸是支持突触形成的重要代谢物（图2J）。同时，PR胎脑中皮质酮水平升高至对照的276.9%，与母体血清变化一致，提示胎脑受孕期代谢压力影响显著。这些结果揭示孕期蛋白限制通过改变胎脑转录和代谢特征，程控后续神经发育途径，与母体因素交互，导致成年期的行为异常。

图2. 母体蛋白质限制改变胎儿大脑的转录和代谢组学特征

作者探讨孕期蛋白限制（PR）对围产期母体生理的扰动如何进一步影响子代神经行为发育。首先，PR母鼠在产后母性行为测试中表现出更差的筑巢与幼崽收集得分，且PR→PR组在P1时显著较低，提示围产期母性照护能力下降，但这一差异在后期逐渐消失。此外，PR母鼠妊娠期间肠道菌群α多样性未能像对照组（CD）一样随妊娠增加，且β多样性显著变化，主要由Clostridia等蛋白质代谢相关菌群变化驱动（图3A-C），提示孕期PR显著降低母体微生物多样性。切换回正常饮食（CD）后，PR母鼠在产后仍持续4–7天保持低微生物多样性，且这种低多样性与胎脑功能改变及子代成年行为缺陷高度相关。

在免疫方面，孕期PR母鼠在E18.5时脾脏变小、粒细胞比例升高，产后P11时PR→PR组脾脏反而增大，且表现出粒细胞升高、B细胞增加、CD4+ T细胞减少及多种促炎细胞因子升高，表明孕期PR导致的免疫扰动在围产期持续存在甚至加重，可能增加神经发育障碍风险。同时，在泌乳期，PR→PR组母鼠乳汁乳糖和低聚糖（如3''SL和6''SL）含量下降，提示即使在恢复正常饮食后，母体泌乳质量仍因孕期PR受到影响，导致特定营养不足可能加剧子代神经发育风险。此外，微生物多样性与乳汁低聚糖、细胞因子及幼崽出生体重等生理指标高度相关，表明母体微生物组、免疫状态与营养水平共同作用影响子代神经发育轨迹。

图3. 小鼠母体蛋白质限制降低肠道微生物群的多样性

作者探讨孕期去除母体微生物组（ABX处理）如何改变孕期蛋白限制（PR）对子代神经发育和行为的影响（图4A）。通过孕前及孕期持续口服抗生素去除微生物组后，E18.5胎鼠脑转录组显示有1564个基因差异表达，相比于PR单独处理仅有10.2%基因重合（图4B），提示微生物组广泛影响胎脑基因表达模式。上调基因富集于中枢神经发育、神经元迁移和突触组织通路，下调基因涉及大脑皮层和海马发育（图4C），表明微生物组去除与PR共同影响神经发育相关途径。蛋白互作分析发现，上调基因关联5-羟色胺受体和activin受体信号，下调基因涉及突触组织和胞吞作用（图4D）。火山图进一步展示差异表达基因，且有147个差异基因与自闭症风险基因库相关（图4E-F），表明微生物组去除可能通过独特机制影响神经发育风险。

代谢组结果显示ABX处理改变胎脑中70种代谢物，与PR单独处理相比重合率仅18.2%，主要影响氨基酸和脂质代谢（图4G-H）。富集通路分析显示，ABX处理上调缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸合成和牛磺酸代谢通路（图4I）。随机森林分析对胎脑代谢物分类预测准确率为83.3%（图4J）。ABX处理增加尿素水平，而PR单独处理降低尿素水平，表明两种处理对胎脑代谢有方向相反的影响（图4K）。这些结果综合说明，母体微生物组在孕期通过调节胎脑转录和代谢模式显著影响PR对子代神经发育程控的方向和程度，但并非简单介导PR的不良影响，而是通过不同机制“调节”PR的影响，使后代在某些神经发育指标上表现出不同结果。

图4. 母体肠道微生物群的消耗会引发胎儿大脑对母体蛋白质限制产生不同且附加的转录组和代谢组学反应

作者探讨微生物组干预是否可缓解孕期蛋白限制（PR）对子代生长及神经行为的不良影响。研究首先尝试补充短链脂肪酸（SCFAs：乙酸、丁酸、丙酸），尽管支持了出生后早期体重增长，但对成年后行为无明显影响，与临床观察一致：即便营养恢复，经历早期PR的儿童仍易出现情绪和认知障碍。随后，作者筛选出10种在胎脑和母体血清中PR降低且受微生物组调控的关键代谢物（10M：包括3-吲哚硫酸、苯乙酰甘氨酸、咪唑丙酸等，并在孕期每日皮下注射补充（图5C-D）。10M补充显著减少了母体体重丢失和血清皮质酮水平，显著提高了子代存活率（Extended Data Fig. 8），但对出生体重和成年体重无影响。

行为测试结果显示，10M补充对子代行为产生性别和领域特异性改善效果。在开放场测试中，10M雌鼠后代在中心区域停留时间和距离（图5E-F）增加，提示焦虑样行为减轻；在Barnes迷宫测试中，10M雄鼠后代在24小时回忆测试中在目标区域停留时间增加，错误次数减少（图5G-H），提示空间记忆能力改善，而学习阶段潜伏期未变。这些效果在按个体分析时明显，而以窝平均值计算时被部分掩盖，表明微生物来源代谢物可在不改变胎儿或出生后生长情况下，特异性调节成年后焦虑和认知表现。

这些结果表明，针对微生物组和代谢组特定标的的精准干预在孕期即可影响子代长期神经行为轨迹，为缓解营养不良相关神经障碍提供了新的方向，也验证了母体微生物组-代谢物通路在PR程控神经行为缺陷中的核心作用。

图5. 酚基于母体微生物组的干预措施会以不同的方式改变因怀孕期间母体蛋白质限制而导致的神经行为缺陷的风险

本文揭示孕期蛋白限制（PR）通过改变母体微生物组、多样性及代谢产物，扰动胎脑转录与代谢模式，导致子代成年焦虑样与认知障碍。去除微生物组改变PR影响模式，而特定微生物来源代谢物干预可缓解行为缺陷，提示微生物-代谢物-脑发育轴是缓解营养不良相关神经障碍的新靶点。