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Cell重磅:惊!移植自闭症儿童粪便后,小鼠也“自闭”了!!

2020-04-28
中科新生命
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自闭症谱系障碍(Autism spectrum disorder,ASD)是一大类复杂的神经发育性疾病,表现为复杂的社会行为改变,主要临床症状有社交障碍和重复刻板性行为。据《中国自闭症教育康复行业发展状况报告》显示,目前中国自闭症患者已超1000万,0-14岁的自闭症儿童可能已超200万。美国疾控中心2015年公布的数据显示,每45名美国儿童中就有1名孤独症患者。欧洲的比例是1:147,韩国的比例居然是1:38!当下自闭症已成为严重的全球性健康问题。

近年来,肠道菌群在自闭症发生及治疗中的重要性逐渐被大家认可。自闭症患者与正常个体的肠道菌群存在显著差异,且在临床干预肠道菌群可改善自闭症患者的症状。这些研究都暗示着肠道菌群或是自闭症发病和治疗的关键环节之一。今天给大家分享一篇加州理工学院Gil Sharon等人在《CELL》上发表的名为《Human Gut Microbiota from Autism Spectrum Disorder Promote Behavioral Symptoms in Mice》的研究性文章。该篇文章通过从患有自闭症儿童和正常儿童的粪便中分离培养功能性细菌,移植到小鼠肠道中构建出具有稳定拟人肠道微环境的动物模型,为治疗自闭症等典型神经疾病指明了潜在新方向。

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研究材料

1、自闭症患者ASD和正常个体TD的粪便样本;

2、粪便移植无菌小鼠(ASD小鼠和TD小鼠)及其子代(oASD小鼠和oTD小鼠)的肠道内容物,血清,脑组织;

3、自闭症模型BTBR小鼠。

技术方法

16s rDNA分析,非靶代谢组学,转录组学

实验路线图

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研究结果

1、ASD患者粪便移植可导致小鼠行为改变(类自闭症症状)

考虑到自闭症是一种发育性疾病,其发病受预期影响较大,本研究作者选取自闭症患者(ASD)和正常个体(TD)的粪便移植入无菌小鼠(GF)肠道中,对本体及其后代小鼠的行为学特征进行分析。结果显示移植ASD患者粪便的小鼠(ASD小鼠)表现出明显的类自闭症症状:重复性行为增加,运动和交流能力减弱。由此推测,肠道菌群是引发自闭症相关症状的重要因素。

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ASD患者粪便移植可导致小鼠行为改变

2、ASD疾病相关致病菌群(含特定行为相关菌)系统性筛选

作者对ASD患者、ASD小鼠及其后代的肠道菌群进行系统分析,发现ASD患者及ASD小鼠的肠道菌群与对照组均有明显差异,且这种差异是可以垂直传递给子代小鼠(证实确实自闭症与受孕期影响很大)。进一步比较分析发现:正常个体/小鼠(TD)中Verrucomicrobia,Proteobacteria phyla, Bacteroides ovatus,Parabacteroides merdae有明显富集;而ASD个体/小鼠中Eisenbergiela tayi 则明显多于对照组。Spearman相关性分析发现Bacteroides和Parabacteroides与重复性行为减少及社交行为增加呈正相关;而Eisenbergiela tayi则恰好相反。综上,特定类型的肠道菌群(Bacteroides、Parabacteroides、Eisenbergiela tayi)是引起ASD的关键环节。

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肠道菌群分析筛选关键菌

3、靶器官(大脑)功能验证

以往研究表明,自闭症主要与大脑前额叶皮层(PFC)和纹状体等多个大脑区域的功能异常有关。为进一步探究菌群改变如何影响神经系统功能,作者对ASD小鼠大脑进行了转录组分析,其中差异表达的基因较少,主要涉及转录、翻译、蛋白质质量控制和输出的途径以及RNA剪接通路。深入分析发现有569个基因的可变剪接发生明显改变(神经元中高表达),其中有52种基因是自闭症相关基因。

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脑转录组分析发现自闭症相关基因改变


4、关键调控代谢物的筛选

前人研究发现脑肠轴中代谢产物可随循环系统而实现远距离调控。由此,作者对ASD小鼠及其对照组的肠道内容物和血清做了非靶向代谢组学分析,发现有27种代谢产物在ASD小鼠的肠道中发生明显改变,其中包含多种GABA和甘氨酸受体的激动剂/抑制剂,如5-氨基戊酸(5AV)和牛磺酸在ASD小鼠中的水平明显减少,这与前人研究的自闭症患者中的结果一致。作者后期采用HUMAnN2和ShortBRED对代谢过程进行功能预测分析发现:对照组小鼠肠道中L-脯氨酸和或反式-4-羟基-L-脯氨酸最终产生了5AV;而ASD小鼠肠道中最后生成了谷氨酸。

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关键代谢物筛选及其调控通路预测

5、关键代谢物功能验证

通过Spearman相关性分析,作者发现多种代谢物含量与小鼠模型的行为学异常存在相关性,其中5AV和牛磺酸可能对自闭症小鼠行为具有保护效果。后期研究者选用自闭症模型BTBR小鼠进行验证实验。当BTBR小鼠自受孕开始口服牛磺酸或5AV至成年,其重复性行为均明显减少,而社交行为明显增加。通过电生理和钙成像实验发现,5AV能降低BTBR小鼠前额皮质中的神经元兴奋性,而牛磺酸则可能影响神经元对抑制性神经递质的响应。

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5AV和牛磺酸功能验证实验

小编小结

本研究在早前肠道菌群与自闭症存在相关性的基础上,从自闭症菌群分析入手进行系统性研究。首先,作者通过粪便移植无菌小鼠进一步证实肠道菌群与自闭症的发病及行为学异常之间存在直接的因果关系,利用生物信息学分析证实特定菌群变化会导致小鼠和患者行为学异常。接着,作者通过对疾病靶器官的功能分析(转录组学),结合对脑肠轴中间调控介质(菌群代谢产物)的非靶向代谢组检测,找到搭建整个脑肠轴调控网络的桥梁代谢物,证实代谢产物的异常可能影响神经系统中基因的表达及可变剪接事件,最终导致行为学的异常。这是肠道微生物顶刊研究的主流思路,也为自闭症的机制探索和治疗提供了新的方向和维度。