近年來，代謝組學中關于腸道菌群研究，不僅高關注，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育障礙性疾病，其核心癥狀就是所謂的“三聯癥”，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。

百趣代謝組學解讀，腸道菌群和ASD之間的潛在聯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的病理生理學和行為結果的直接貢獻以前沒有過相關報道。作者提出假設：腸道菌群代謝物影響大腦功能和調節行為，并以此研究驗證。

研究結果

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，其成年后代（oTD和oASD）通過埋珠實驗（MB）、敞箱實驗（OFT）和超聲發聲（USV）測試發現，oASD小鼠與oTD小鼠相比，表現出重復行為增多，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。百趣代謝組學解讀，表明人類ASD患者的微生物群移植到小鼠可以轉移ASD相關的行為缺陷。

2、TD和ASD定殖的小鼠藏有與行為相關的不同細菌種類
接著作者根據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TD對照相關，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。百趣代謝組學解讀，后續研究發現Bacteroides spp. 和 P. merdae 與減少重復行為和增加社會行為相關。相反，E.Tayi與增加重復行為和減少社會交往行為相關。表明特定細菌種類與oTD或oASD樣本有關，也與ASD相關行為高度相關，支持了特定細菌可能導致ASD各種癥狀的假設。

3、ASD微生物群促進腦內ASD相關基因的廣泛選擇性剪接
社會行為由多個大腦區域介導，包括前額葉皮質 (PFC) 和紋狀體 (STR)。通過基因集富集分析 (GSEA) 發現在oASD腦中存在顯著不同的幾條KEGG途徑。在oASD小鼠中上調的KEGG通路中有與剪接體相關的基因，這表明微生物群參與了剪接調節。作者在幾個ASD相關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。百趣代謝組學解讀，表明腸道微生物不僅調節小鼠腦中的基因表達，而且還影響選擇性剪接，并可以調節ASD所涉及的特定基因異構體的產生。

4、來自TD-和ASD-定殖小鼠的微生物群產生離散代謝物圖譜
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，包括產生神經活性小分子。作者對oTD和oASD小鼠的結腸內容物 (圖A和B) 和相應的血清 (圖C) 進行了非靶向代謝組學分析。與oTD小鼠相比，在313個檢測到的代謝物中有27個在oASD小鼠的結腸內容物中有顯著不同 (圖A-F)。oASD小鼠結腸內容物中氨基酸濃度較高，值得關注的是，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現另一種弱的GABA受體激動劑 (和一種有效的甘氨酸受體激動劑)，即牛磺酸的水平較低。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和牛磺酸表明腸道微生物可能會影響抑制性GABA信號傳導。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物)，在OASD小鼠中增加 (圖I)。在oASD小鼠結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腸內容物和血清中有顯著差異 (圖C，F和J)。神經發育和行為與染料木素，大豆苷元及其降解產物有關。這些代謝物水平的升高表明OASD微生物群中的飲食營養代謝細菌減少。
 

5、通過給藥特定代謝物可以糾正小鼠ASD相關的異常行為
非靶向代謝組學分析發現牛磺酸（半胱氨酸或牛磺膽酸的代謝產物）和5AV（脯氨酸的發酵產物）這兩種GABA受體激動劑都在OTD小鼠的結腸中增加。牛磺酸對于大腦發育是必不可少的，5AV在小鼠中起抗驚厥作用。作者提出假設，牛磺酸和5AV是微生物群產生的神經活性代謝產物。從受孕開始給BTBR（有已知的微生物群）小鼠注射牛磺酸或5AV都減弱了ASD相關的行為改變，即刻板印象和社會障礙。百趣代謝組學解讀，這些GABA受體激動劑可能會擾亂大腦中的E-I平衡。結果表明，牛磺酸可以延遲神經元的興奮性-抑制性發育轉換，5AV可降低mPFC中L5錐體神經元的興奮性，并且還可能通過其他機制作用于腦功能。總之，這些發現提供了實驗證據，證明微生物代謝物可以在小鼠模擬ASD的背景下介導腸道和大腦之間的通訊。

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

敲黑板，劃重點，百趣代謝組學解讀，本文亮點是：

1、含人類ASD微生物群的小鼠表現出類似ASD的行為；

2、ASD和TD微生物群在小鼠體內產生差異代謝譜；

3、ASD微生物群小鼠腦內風險基因的廣泛選擇性剪接；

4、用5AV或牛磺酸處理的BTBR小鼠改善了重復性行為和社會行為。