Cell亮點 | 驚！腸道菌群或是自閉症發病與治療的關鍵環節

撰文 | 木蘭之枻

責編 | 兮

自閉症譜系障礙（Autism spectrum disorder，ASD）是一大類複雜的神經發育性疾病，其主要臨床癥狀有社交障礙和重複刻板性行為。當下自閉症已是世界上人數增長最快的疾病之一，其在美國其發病率高達1/59【1】，已成為嚴重的全球性健康問題。自閉症的發病與遺傳因素及環境因素都密不可分：新發突變、拷貝數變異等基因組水準的改變會讓個體患病和易感，而環境因素則是讓易感個體發病的關鍵。近年來，腸道菌群在疾病發生及治療中的重要性正為研究者所認可。早期研究發現，自閉症患者與正常個體的腸道菌群有顯著差異【2】；這種差異在自閉症的小鼠模型中同樣存在【3】。此外，部分臨床研究發現，在腸道菌群的水準加以乾預或可改善自閉症患者的癥狀【4】；而在小鼠模型中，特定的腸道微生物也表現出治療的潛力【3】。更進一步的代謝組學研究指出，腸道菌群來源的多種代謝物在自閉症患者中出現異常，其中氨基酸的轉運和降解也發生明顯改變。這一系列研究都提示，腸道菌群及其代謝產物或是研究自閉症發病和治療的關鍵環節之一。

5月30日，來自加州理工學院（Caltech）的Sarkis K. Mazma年n實驗室在Cell雜誌上發表了題為Human GutMicrobiota from Autism Spectrum Disorder Promote Behavioral Symptoms in Mice的論文。文章證實自閉症患者來源的腸道菌群移植後，無菌小鼠及其後代會出現自閉症的核心行為學表型，還會導致小鼠大腦中自閉症相關基因的可變剪接出現異常。微生物組及代謝組學分析指出，特定類型的微生物及其代謝產物是引發行為學異常的關鍵；部分代謝產物可明顯改善自閉症小鼠模型的行為學異常並調節大腦的神經興奮性。這一研究表明，腸道菌群可通過生成具有神經活性的代謝產物而調控小鼠的行為，提示腸-腦互作是自閉症發病和治療的關鍵環節之一。

雖然早期研究已經發現自閉症患者的腸道菌群與正常個體間存在明顯差異，但對腸道菌群與自閉症發病的因果關係缺少研究。考慮到自閉症是一種發育性疾病，其發病受孕期影響較大，本研究選取自閉症患者和正常個體的腸道菌群移植入無菌小鼠腸道中，對本體及其後代小鼠的行為學特徵及組織樣本進行分析（圖1）。結果發現攜帶有自閉症患者腸道菌群的小鼠（統稱ASD小鼠）表現出明顯的類自閉症癥狀，其重複性行為增加且運動和交流能力減弱。由此可知，腸道菌群或是引起自閉症相關癥狀的重要因素。

圖1：實驗流程：腸道菌群的移植、行為學檢測及機制分析

為鑒別影響小鼠自閉症行為的關鍵菌種，研究者對自閉症患者的腸道菌群、移植小鼠及其後代的腸道菌群類別進行了系統分析，發現自閉症患者及ASD小鼠的腸道菌群與對照組有明顯差異。其中，正常個體/小鼠中卵形擬桿菌（Bacteroides ovatus）和糞副擬桿菌（Parabacteroides merdae）有明顯富集；而自閉症個體/小鼠中毛螺菌科的菌種（Lachnospiraceae）則明顯多於對照組（圖2）。隨後的相關性分析指出，卵形擬桿菌和糞副擬桿菌與重複性行為的減少及社交行為的增加呈正相關；而毛螺菌科的菌種則恰好相反。綜上研究可知，特定類型的腸道菌群或是引起自閉症相關癥狀的重要環節。

圖2 ：腸道菌群移植小鼠模型中有明顯差異的菌種

自閉症核心癥狀的出現主要與大腦前額葉皮層（PFC）和紋狀體的功能異常相關。為探究腸道菌群的改變對神經系統功能的影響，研究者對ASD小鼠大腦轉錄組進行了分析，發現除基因轉錄異常之外，基因的可變剪接也發生明顯改變，這與自閉症患者大腦中基因可變剪接異常的表型相吻合；其中發生異常可變剪接的基因大多在神經元中高表達，且有52種基因是導致自閉症的重要候選基因。

位於腸道的菌群如何影響並不相鄰的神經系統？考慮到代謝產物可隨循環系統而實現遠距離調控，研究者對ASD小鼠及其對照組的腸道/血液代謝組學特徵進行了分析，發現有27種代謝產物在ASD小鼠的腸道中發生明顯改變，其中包含多種GABA能受體及甘氨酸受體的激動劑/抑製劑，如GABA能受體激動劑5-氨基戊酸（5AV）和牛磺酸在ASD小鼠中的水準明顯減少，這與自閉症患者中的結果一致；此外研究者還發現，甘氨酸受體激動劑3AIBA和多種生物活性分子如類黃酮、三羥基異黃酮和大豆甙元在ASD小鼠中的水準卻明顯增加（圖3）。研究者注意到，與對照組相比，ASD小鼠腸道中的氨基酸水準有明顯異常。為探究引發腸道氨基酸代謝異常的可能通路，研究者採用HUMAnN2和ShortBRED對代謝基因組學數據分析後指出，對照組小鼠腸道中，反式-4-羥基-L-脯氨酸經代謝產生中間產物P5C後進一步生成L-脯氨酸，最終促進5AV的產生；與之相反的是，ASD小鼠腸道中，反式-4-羥基-L-脯氨酸經代謝產生P5C後進一步生成谷氨酸，從而導致5AV水準下降。

圖3 腸道菌群移植小鼠模型腸道中的代謝組學改變

通過相關性分析，研究者發現，多種代謝產物與小鼠模型的行為學異常存在相關性；其中5AV和牛磺酸或具有保護性功能；三羥基異黃酮和大豆甙元則可能加重小鼠重複性行為；而三羥基異黃酮、3AIBA和賴氨酸則可能影響小鼠的運動能力。為驗證5AV和牛磺酸對自閉症小鼠行為的保護效果，研究者選用BTBR小鼠（BTBR小鼠有自閉症的核心癥狀如社交減少和重複性行為）為模型進行後續實驗。當BTBR小鼠自受孕開始口服牛磺酸至成年，其重複性行為明顯減少，而社交行為明顯增加；與牛磺酸類似，5AV同樣能減少BTBR小鼠的重複性行為並改善其社交能力。研究還發現，孕期開始給予牛磺酸和5AV治療至關重要，否則不能改善小鼠的行為異常。除改善行為學異常，研究者還發現，5AV能降低BTBR小鼠PFC中的神經元興奮性，而牛磺酸則可調節皮層神經元應答GABA時的興奮性-抑製性轉變。由此可知，腸道菌群的代謝產物可影響神經系統電活動而調控小鼠的行為學改變。

本研究在早前腸道菌群與自閉症存在相關性的基礎上，進一步證實腸道菌群與自閉症的發病及行為學異常之間存在直接的因果關係。機制及後續的治療研究指出，特定腸道菌群的變化會改變腸道代謝，代謝產物的異常可能影響神經系統中基因的表達及可變剪接事件，最終導致行為學的異常。這一研究提示我們在探究基因組之外，分析腸道菌群，關注基因-環境互作或將為自閉症的機制探索和治療提供了新的方向和維度。

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製版人：小嫻子

參考文獻

1. Baio, J., Wiggins, L., Christensen, D.L.,Maenner, M.J., Daniels, J., Warren, Z.,Kurzius-Spencer, M., Zahorodny, W.,Robinson Rosenberg, C., White, T., et al. (2018). Prevalence of Autism SpectrumDisorder Among Children Aged 8 Years - Autism and Developmental DisabilitiesMonitoring Network, 11 Sites, United States, 2014. MMWR Surveill. Summ. 67,1–23.

2. Gondalia, S.V., Palombo, E.A., Knowles, S.R.,Cox, S.B., Meyer, D., and Austin, D.W. (2012). Molecular characterisation ofgastrointestinal microbiota of children with autism (with and withoutgastrointestinal dysfunction) and their neurotypical siblings. Autism Res. 5,419–427.

3. Hsiao, E.Y., McBride, S.W., Hsien, S., Sharon,G., Hyde, E.R., McCue, T., Codelli, J.A., Chow, J., Reisman, S.E., Petrosino,J.F., et al. (2013). Microbiota modulate behavioral and physiologicalabnormalities associated with neurodevelopmental disorders. Cell 155,1451–1463.

4. Kang, D.-W., Adams, J.B., Gregory, A.C., Borody,T., Chittick, L., Fasano, A., Khoruts, A., Geis, E., Maldonado, J.,McDonough-Means, S., et al. (2017). Microbiota Transfer Therapy alters gutecosystem and improves gastrointestinal and autism symptoms: an open-labelstudy. Microbiome 5, 10.

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