文獻解讀：代謝組學(xué)助力自閉癥譜系障礙ASD的研究

近年來，代謝組學(xué)中關(guān)于腸道菌群研究，不僅高關(guān)注，而且高分。前不久，小編分享了一篇腸道菌群與癲癇疾病相關(guān)的文章。這次，它又跟自閉癥譜系障礙（ASD）“好”上了，還不快跟小編一起來八卦一下。

文獻題目

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

自閉癥譜系障礙（ASD）是廣泛意義上的自閉癥，是一種較為嚴重的發(fā)育障礙性疾病，其核心癥狀就是所謂的“三聯(lián)癥”，包括社會性和交流能力障礙、語言能力障礙、儀式化的刻板行為三個方面。

百趣代謝組學(xué)解讀，腸道菌群和ASD之間的潛在聯(lián)系早在二十年前就被提出了，而且大量研究表明腸道細菌可能會影響行為癥狀，但腸道菌群對ASD的病理生理學(xué)和行為結(jié)果的直接貢獻以前沒有過相關(guān)報道。作者提出假設(shè)：腸道菌群代謝物影響大腦功能和調(diào)節(jié)行為，并以此研究驗證。

研究結(jié)果

1、ASD患者的腸道菌群足以促進小鼠行為的改變
首先，作者將TD（對照）或ASD患者微生物群移植到GF雄鼠和雌鼠體內(nèi)，其成年后代（oTD和oASD）通過埋珠實驗（MB）、敞箱實驗（OFT）和超聲發(fā)聲（USV）測試發(fā)現(xiàn)，oASD小鼠與oTD小鼠相比，表現(xiàn)出重復(fù)行為增多，社交能力降低和運動能力減少，直接社會互動測試(DSI)進一步驗證了上述特征。百趣代謝組學(xué)解讀，表明人類ASD患者的微生物群移植到小鼠可以轉(zhuǎn)移ASD相關(guān)的行為缺陷。

2、TD和ASD定殖的小鼠藏有與行為相關(guān)的不同細菌種類
接著作者根據(jù)16S rRNA基因序列通過DESeq2計算鑒定了oTD和oASD微生物群之間的細菌分類群。總共有31個擴增子序列變異體 (ASVs) 在各組之間差異豐富。這些ASVs主要屬于梭菌綱和擬桿菌綱。屬于擬桿菌綱的ASVs與大多數(shù)TD對照相關(guān)，如Bacteroides ovatus 和Parabacteroides merdae 在所有oTD樣品中普遍存在，而在大部分oASD樣品中均不存在。相反，Eisenbergiela tayi 在所有oASD小鼠中普遍存在，而不存在于oTD組中。百趣代謝組學(xué)解讀，后續(xù)研究發(fā)現(xiàn)Bacteroides spp. 和 P. merdae 與減少重復(fù)行為和增加社會行為相關(guān)。相反，E.Tayi與增加重復(fù)行為和減少社會交往行為相關(guān)。表明特定細菌種類與oTD或oASD樣本有關(guān)，也與ASD相關(guān)行為高度相關(guān)，支持了特定細菌可能導(dǎo)致ASD各種癥狀的假設(shè)。

3、ASD微生物群促進腦內(nèi)ASD相關(guān)基因的廣泛選擇性剪接
社會行為由多個大腦區(qū)域介導(dǎo)，包括前額葉皮質(zhì) (PFC) 和紋狀體 (STR)。通過基因集富集分析 (GSEA) 發(fā)現(xiàn)在oASD腦中存在顯著不同的幾條KEGG途徑。在oASD小鼠中上調(diào)的KEGG通路中有與剪接體相關(guān)的基因，這表明微生物群參與了剪接調(diào)節(jié)。作者在幾個ASD相關(guān)基因中檢測到差異剪接事件，主要是在oASD小鼠的STR中，如正常認知發(fā)育所必需的基因FMR1等，在小鼠PFC中顯示異常剪接的基因包括POGZ，CACNA1C 等。百趣代謝組學(xué)解讀，表明腸道微生物不僅調(diào)節(jié)小鼠腦中的基因表達，而且還影響選擇性剪接，并可以調(diào)節(jié)ASD所涉及的特定基因異構(gòu)體的產(chǎn)生。

4、來自TD-和ASD-定殖小鼠的微生物群產(chǎn)生離散代謝物圖譜
由于腸道細菌可以通過各種途徑影響基因表達和宿主行為，包括產(chǎn)生神經(jīng)活性小分子。作者對oTD和oASD小鼠的結(jié)腸內(nèi)容物 (圖A和B) 和相應(yīng)的血清 (圖C) 進行了非靶向代謝組學(xué)分析。與oTD小鼠相比，在313個檢測到的代謝物中有27個在oASD小鼠的結(jié)腸內(nèi)容物中有顯著不同 (圖A-F)。oASD小鼠結(jié)腸內(nèi)容物中氨基酸濃度較高，值得關(guān)注的是，抑制性γ-氨基丁酸(GABA)和甘氨酸受體的幾種激動劑和拮抗劑存在差異 (圖G-I)。百趣代謝組學(xué)解讀，其中，5-氨基戊酸 (5AV) 在oASD小鼠中明顯降低 (圖G)。5AV是一種弱的GABA受體激動劑，在ASD患者中明顯降低。在ASD患者的一個亞群中發(fā)現(xiàn)另一種弱的GABA受體激動劑 (和一種有效的甘氨酸受體激動劑)，即�；撬岬乃�平較低。有趣的是，oASD小鼠的牛磺酸比oTD小鼠少50% (圖H)。總而言之，較低水平的5AV和�；撬岜砻髂c道微生物可能會影響抑制性GABA信號傳導(dǎo)。3-氨基異丁酸 (3AIBA，胸腺嘧啶和弱甘氨酸受體激動劑的降解產(chǎn)物)，在OASD小鼠中增加 (圖I)。在oASD小鼠結(jié)腸中升高的其他生物活性分子是大豆衍生異黃酮、染料木素和大豆苷元 (圖J)。百趣代謝組學(xué)解讀，雖然21種血清代謝物在oASD vs oTD小鼠中差異豐富 (8種已鑒定)，但只有染料木素在結(jié)腸內(nèi)容物和血清中有顯著差異 (圖C，F(xiàn)和J)。神經(jīng)發(fā)育和行為與染料木素，大豆苷元及其降解產(chǎn)物有關(guān)。這些代謝物水平的升高表明OASD微生物群中的飲食營養(yǎng)代謝細菌減少。
 

5、通過給藥特定代謝物可以糾正小鼠ASD相關(guān)的異常行為
非靶向代謝組學(xué)分析發(fā)現(xiàn)牛磺酸（半胱氨酸或�；悄懰岬拇�謝產(chǎn)物）和5AV（脯氨酸的發(fā)酵產(chǎn)物）這兩種GABA受體激動劑都在OTD小鼠的結(jié)腸中增加。�；撬釋τ诖竽X發(fā)育是必不可少的，5AV在小鼠中起抗驚厥作用。作者提出假設(shè)，�；撬岷�5AV是微生物群產(chǎn)生的神經(jīng)活性代謝產(chǎn)物。從受孕開始給BTBR（有已知的微生物群）小鼠注射�；撬峄�5AV都減弱了ASD相關(guān)的行為改變，即刻板印象和社會障礙。百趣代謝組學(xué)解讀，這些GABA受體激動劑可能會擾亂大腦中的E-I平衡。結(jié)果表明，�；撬峥梢匝舆t神經(jīng)元的興奮性-抑制性發(fā)育轉(zhuǎn)換，5AV可降低mPFC中L5錐體神經(jīng)元的興奮性，并且還可能通過其他機制作用于腦功能。總之，這些發(fā)現(xiàn)提供了實驗證據(jù)，證明微生物代謝物可以在小鼠模擬ASD的背景下介導(dǎo)腸道和大腦之間的通訊。

尾聲
作者提出ASD的病因?qū)W可能在于人類基因組，人類微生物群，或兩者通過基因-環(huán)境相互作用。百趣代謝組學(xué)解讀，雖然基因組編輯的前景可觀，但基于微生物群的干預(yù)措施，如益生菌、糞便微生物群移植或代謝物的開發(fā)，可能為解決ASD的終生挑戰(zhàn)提供一種及時和可處理的方法。

敲黑板，劃重點，百趣代謝組學(xué)解讀，本文亮點是：

1、含人類ASD微生物群的小鼠表現(xiàn)出類似ASD的行為；

2、ASD和TD微生物群在小鼠體內(nèi)產(chǎn)生差異代謝譜；

3、ASD微生物群小鼠腦內(nèi)風(fēng)險基因的廣泛選擇性剪接；

4、用5AV或牛磺酸處理的BTBR小鼠改善了重復(fù)性行為和社會行為。