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微生物組是指一個特定環境或生態系統中全部微生物及其遺傳信息。這些微生物主要括細菌、古菌、原生動物、真菌和病毒等。微生物廣泛分布于我們生活的環境中，通過復雜的相互作用表現出生態系統功能。目前微生物研究非常火熱，主要涉及到海洋、河流、土壤等環境和個體的口腔、腸道、皮膚、生殖道等部位的微生物研究。近年來，人體共生微生物和宿主健康、疾病聯系密切相關，特別是微生物與心腦血管疾病、免疫類疾病、代謝類疾病、抑郁癥、自閉癥、阿爾茲海默癥、腫瘤的關聯研究日益火熱。

今天給大家分享一篇加州理工學院Gil Sharon等人在《Cell》雜志上發表的題為《Human Gut Microbiota from Autism Spectrum Disorder Promote Behavioral Symptoms in Mice》的研究性文章，IF:31.398。該研究通過從患有自閉癥兒童和正常兒童的糞便中分離培養功能性細菌，移植到小鼠腸道中構建出具有穩定擬人腸道微環境的動物模型，揭示腸道細菌會直接促進小鼠的自閉癥行為發生，為治療自閉癥等典型神經疾病指明了潛在新方向。

研究背景：

自閉癥(ASD)表現為復雜的人類行為改變，包括社會溝通和刻板印象。除了遺傳的不同外，腸道微生物在正常發育(TD)和ASD個體之間也存在差異，但是微生物群是否與癥狀相關目前還不清楚。

研究材料：

無菌(GF)雄性和雌性小鼠；自閉癥癥狀小鼠；BTBR T+ tf/J (BTBR)小鼠模型；正常發育(TD)兒童、自閉癥患者(ASD)兒童糞便。

研究技術：

16s rDNA分析、非靶代謝組學、轉錄組學研究

Highlights：

1）攜帶人類ASD而非TD的小鼠，其微生物群表現出類似ASD的行為；

2）ASD和TD微生物群在小鼠中產生了不同的代謝組譜；

3）攜帶ASD微生物群的小鼠大腦中風險基因存在廣泛選擇性剪接，而接受5AV或牛磺酸治療的BTBR小鼠的重復和社交行為得到改善。

研究結果：

1、來自ASD個體的腸道微生物群足以使小鼠行為改變

本研究首先要測試人類微生物群是否在功能上促進了小鼠的ASD行為。選擇人類TD和ASD供者的糞便樣本并移植到GF野生型小鼠腸道中，對其及其后代進行行為學分析。結果顯示移植ASD患者糞便的小鼠重復行為增加，運動減少，交流減少，表現出明顯的自閉癥癥狀。

移植ASD微生物的小鼠可再現人類自閉行為

2、TD和ASD移植小鼠不同微生物種群導致了行為的不同

對ASD患者、ASD小鼠及其后代的腸道菌群進行系統分析，發現ASD患者及ASD小鼠的腸道菌群與對照組均有明顯差異，且這種差異是可以垂直傳遞給子代小鼠。進一步研究發現特定類型的腸道菌群(Bacteroides、Parabacteroides、Eisenbergiela tayi)是引起ASD的關鍵。

毛縷菌科、擬桿菌科和擬副桿菌科在TD和ASD后代微生物組中含量不同

3、ASD微生物群可促進大腦中ASD相關基因的廣泛選擇性剪接

社會行為是由包括前額葉皮層(PFC)和紋狀體(STR)在內的多個大腦區域介導的，突觸功能障礙和異常的發育軌跡可能會導致重復行為的增加。通過大規模分析，研究者比較了TD和ASD個體大腦中表達的各種基因和非編碼RNA的差異表達，結果顯示差異表達的基因較少。深入研究ASD大腦是否表現出選擇性剪接(AS)的差異模式（這是人類ASD大腦中發現的一種特征），檢測ASD相關風險基因，結果發現有569個基因的可變剪接發生明顯改變（神經元中高表達），其中有52種基因是自閉癥相關基因。

微生物組影響小鼠大腦中ASD基因的表達和選擇性剪接

4、TD、ASD移植小鼠的微生物產生了代謝產物

大腦中的基因表達、剪接和神經元功能可以通過小分子代謝物進行調節。代謝組改變與自閉癥譜系障礙有關。因此對oTD和oASD小鼠的結腸內容物和相應的血清進行了非靶向代謝組學分析。結果發現oASD小鼠的結腸內容物中有27種與oTD小鼠有顯著差異，抑制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，具體來說，5-氨基戊酸(5AV)和牛磺酸在oASD小鼠中顯著降低。后期對代謝過程進行功能預測分析發現：對照組小鼠腸道中L-脯氨酸和或反式-4-羥基-L-脯氨酸最終產生了5AV；而ASD小鼠腸道中最后生成了谷氨酸。

oTD和oASD微生物組對小鼠結腸和血清代謝組的影響

宏基因組分析證實oASD小鼠氨基酸代謝缺乏

5、調控ASD小鼠代謝物可改善ASD樣行為

腸道內的微生物代謝物會影響神經系統的預后，為了測試5AV和牛磺酸是否對小鼠行為有影響，作者通過Spearman相關性分析，發現多種代謝物含量與小鼠模型的行為學異常存在相關性包括牛磺酸和5AV，可能保護小鼠不發生ASD樣行為。后期通過采用BTBR T+ tf/J (BTBR)小鼠模型，當BTBR小鼠自受孕開始口服牛磺酸或5AV至成年，其重復性行為均明顯減少，而社交行為明顯增加。最后通過電生理和鈣成像實驗發現，5AV能降低BTBR小鼠前額皮質中的神經元興奮性。

微生物代謝物影響BTBR小鼠模型的行為和腦生理

微生物研究思路

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[1] Sharon G, Cruz NJ, Kang DW, et al. Human Gut Microbiota from Autism Spectrum Disorder Promote Behavioral Symptoms in Mice.Cell. 2019;177(6):1600-1618.e17. doi:10.1016/j.cell.2019.05.004

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