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重磅研究

來源：泰然健康網(wǎng) 時(shí)間：2024年11月27日 06:12

導(dǎo)讀

傳統(tǒng)研究認(rèn)為，許多神經(jīng)系統(tǒng)疾病的核心癥狀是由遺傳突變影響了大腦的發(fā)育及功能而引起的。但是，腸道微生物群作為另一個(gè)重要的變量，也會影響特定行為的發(fā)生。因此，明白宿主遺傳突變、腸道微生物群及其二者間互作在個(gè)體復(fù)雜行為中的作用至關(guān)重要。我們的研究意外的發(fā)現(xiàn)，神經(jīng)發(fā)育障礙模型小鼠（Cntnap2 -/-小鼠）的遺傳突變和腸道微生物群調(diào)節(jié)了不同的社會適應(yīng)不良行為。Cntnap2 -/-小鼠的多動癥表型由宿主遺傳突變引起，而社交行為表型是由腸道微生物群介導(dǎo)的。有趣的是，特定的微生物干預(yù)通過上調(diào)四氫生物蝶呤合成途徑中的代謝物選擇性地改善了Cntnap2 -/-小鼠的社交缺陷。我們的研究表明導(dǎo)致Cntnap2 -/-小鼠行為異常的原因可能不盡相同（如遺傳因素與微生物因素），因此本研究可能會改變我們對神經(jīng)系統(tǒng)疾病研究及治療方法的看法。

論文ID

原名：Dissecting the contribution of host genetics and the microbiome in complex behaviors

譯名：深入剖析遺傳因素和微生物因素在宿主復(fù)雜行為中的作用

期刊：Cell

IF：38.637

發(fā)表時(shí)間：2021.3.10

通訊作者：Mauro Costa-Mattioli

通訊作者單位：美國貝勒醫(yī)學(xué)院神經(jīng)科學(xué)系

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

圖文摘要

為了探究遺傳因素和微生物因素在宿主復(fù)雜性為中的作用，MauroCosta-Mattioli等人選擇Cntnap2 -/-小鼠、其野生型和無菌野生型小鼠作為主要研究對象。Cntnap2 -/-小鼠，是經(jīng)典的Cntnap2基因（接觸蛋白相關(guān)蛋白2基因，又稱自閉癥基因）敲除所致的神經(jīng)發(fā)育障礙模型，表現(xiàn)出類似自閉癥譜系疾?。ˋSD）的社交能力受損以及多動癥行為。為了明確Cntnap2敲除對小鼠行為的影響，作者通過以下7個(gè)實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行層層遞進(jìn)的分析研究： 1）比較孤立繁殖體系所得的Cntnap2 -/-（KO-I）和 Cntnap2+/+（WT-I）小鼠差異，檢測其社交行為及自發(fā)活動，并對其菌群進(jìn)行測序分析； 2）為了驗(yàn)證社交行為表型是由腸道菌群導(dǎo)致而自發(fā)活動表型是由遺傳因素（即Cntnap2敲除）所導(dǎo)致的，研究者進(jìn)行了下面三個(gè)實(shí)驗(yàn)。 ①KO-I小鼠和WT-I小鼠同籠飼養(yǎng)； ②通過Cntnap2 -/+雜交小鼠繁育所得的同窩出生的Cntnap2 -/-（KO-L）和 Cntnap2+/+（WT-L）小鼠分籠飼養(yǎng)； ③將上述①和②四組小鼠（KO-I，KO-L，WT-I，WT-L）的腸道微生物通過糞菌移植（FMT）的方法移植給無菌小鼠（GF）； 3）為了證實(shí)羅伊氏乳桿菌（Lactobacillusreuteri，L. reuteri）干預(yù)是否可以改善Cntnap2 -/-小鼠社交障礙，通過qPCR方法檢測了KO-I組小鼠糞便菌群中羅伊氏乳桿菌的豐度，并且通過給年幼的KO-I小鼠補(bǔ)充羅伊氏乳桿菌，檢測其社交行為及自發(fā)活動； 4）為了證明羅伊氏乳桿菌改善不同ASD小鼠模型的突觸缺陷是否通過催乳素依賴的方式。研究者比較了KO-I和WT-I組小鼠VTA神經(jīng)元的電生理學(xué)改變； 5）為了評估羅伊氏乳桿菌是否影響與社會行為有關(guān)的其他大腦區(qū)域的突觸傳遞，研究者檢測了KO-I和WT-I小鼠的內(nèi)側(cè)前額葉皮質(zhì)（mPFC）中的微型興奮性突觸后電流（mEPSCs）； 6）為了研究羅伊氏乳桿菌改善KO-I小鼠社會缺陷的機(jī)制，研究者通過非特異性腸道代謝組學(xué)分析了KO-I和WT-I小鼠的糞便代謝產(chǎn)物； 7）為了驗(yàn)證單獨(dú)用BH4干預(yù)是否可以選擇性地逆轉(zhuǎn)KO-I小鼠的社交缺陷研究者比較了KO-I小鼠經(jīng)口灌胃給予BH4或溶劑后其社交行為及自發(fā)活動； 8）為了探索了羅氏乳酸菌對社會行為的影響是否依賴于生物蝶呤途徑，研究者改變了羅伊氏乳桿菌治療后的Cntnap2 -/-（KO-I）小鼠的BH4生物合成途徑，并檢測其社交行為及自發(fā)活動變化。 主要實(shí)驗(yàn)方法包括： 糞菌移植實(shí)驗(yàn)；行為學(xué)實(shí)驗(yàn)；動物三箱社交自由探索實(shí)驗(yàn)；社交互動實(shí)驗(yàn)；16S rRNA基因測序；微生物基因功能預(yù)測；定量PCR（qPCR）細(xì)菌定量；羅伊氏乳桿菌的培養(yǎng)及處理；電生理記錄；免疫熒光；催產(chǎn)素給藥實(shí)驗(yàn)；代謝組學(xué)分析；四氫生物蝶呤（BH4）給藥實(shí)驗(yàn)；催產(chǎn)素受體拮抗劑給藥實(shí)驗(yàn)；SPRi3給藥實(shí)驗(yàn)。

結(jié)果

1 在神經(jīng)發(fā)育遺傳缺陷的小鼠中，不同繁育方式影響其行為及腸道菌群通過動物三箱社交自由探索實(shí)驗(yàn)來檢測孤立繁殖體系所得的Cntnap2 -/-（KO-I）和 Cntnap2+/+（WT-I）小鼠其社交能力及社交新奇偏好，如前人所報(bào)道，KO-I小鼠表現(xiàn)出明顯的社交能力缺陷（圖1C）及社交新奇偏好降低（圖1D）。KO-I小鼠不愿與陌生小鼠交流并且也不會對新來的小鼠感到好奇。因此，在社交互動實(shí)驗(yàn)中，KO-I小鼠之間的相互交流也較WT-I小鼠更少（圖1E）。通過尋找埋藏食物實(shí)驗(yàn)我們可以發(fā)現(xiàn)，KO-I小鼠嗅覺并無異常（Mann-Whitney U =66, P = 0.7444)，這證實(shí)該小鼠的社交缺陷并非嗅覺異常所致。此外，KO-I小鼠在自發(fā)活動中表現(xiàn)出多動癥樣的行為（圖1F-G），這與其他研究是一致的。因此，我們證明孤立繁殖體系所得的Cntnap2 -/-小鼠存在顯著的社交能力缺陷及多動癥行為。有研究報(bào)道自閉癥病人存在腸道菌群結(jié)構(gòu)的改變。因此我們通過16S rRNA測序分析了本組實(shí)驗(yàn)中小鼠的腸道菌群。PCA分析、PCoA分析（分別用Bray–Curtis差異矩陣和未加權(quán)UniFrac距離）分析都證實(shí)上述兩組小鼠腸道菌群β多樣性存在顯著差異（圖1H、圖S1B及圖S1C）。分析Shannon指數(shù)來評估其菌群的α多樣性發(fā)現(xiàn)，KO-I小鼠腸道菌群豐度較WT-I小鼠更高（圖S1D-E）。此外，33個(gè)擴(kuò)增子序列變異（ASVs）及33個(gè)通過PICRUSt2預(yù)測的微生物代謝途徑在兩組見存在顯著差異（圖1I和圖S1F-H）。因此，孤立繁殖體系所得的Cntnap2 -/-小鼠的腸道菌群與Cntnap2+/+的存在顯著差異。

圖1 孤立繁殖體系所得的Cntnap2 -/-小鼠與其野生型相比存在社交能力缺陷、多動癥及不同的腸道菌群結(jié)構(gòu)。（A）孤立繁育體系（Cntnap2 -/-：KO-I；Cntnap2+/+：WT-I）。（B）實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。（C-D）動物三箱社交自由探索實(shí)驗(yàn)（每組n = 17; C, 社交能力: WT-I: t = 7.508, P< 0.0001; KO-I:t = 1.01, P = 0.6322; 兩因素方差分析: F1,64= 21.11, P < 0.0001; D, 社交新奇偏好: WT-I: t = 6.386,P < 0.0001; KO-I: t = 0.2782, P > 0.9999; 兩因素方差分析, F1,64= 18.65, P < 0.0001）。（E）社交互動實(shí)驗(yàn)（每組n = 15–16, Mann-Whitney U = 52.50, P = 0.0065）。（F-G）動物三箱社交自由探索實(shí)驗(yàn)的習(xí)慣階段檢測的自發(fā)活動程度（每組n = 17; (F), 總距離: WT-I vs. KO-I: Mann-Whitney U = 42, P = 0.0002; (G), 平均速度: WT-I vs. KO-I: Mann-Whitney U = 42.5, P = 0.0002）。（H）PCA分析腸道菌群β多樣性（PERMANOVA: R2 = 0.35732, P = 0.0002）。（I）ASVs系統(tǒng)發(fā)育樹（內(nèi)圈代表組間差異ASVs，綠色：KO中增加；白色：無差異；紫色：WT中增加。外圈代表Benjamini-Hochberg FDR校正后結(jié)果，白色：P ≥ 0.05；黑色：P < 0.05），直方圖為均值±標(biāo)準(zhǔn)誤。
有學(xué)者認(rèn)為只有使用同窩對照時(shí)所得的遺傳突變表型差異證據(jù)才更為確鑿，因此，我們通過Cntnap2 -/+雜交小鼠繁育所得的同窩出生的Cntnap2 -/-（KO-L）和 Cntnap2+/+（WT-L）小鼠重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)。不出意外，KO-L小鼠依然存在顯著的多動癥表現(xiàn)（圖2F-G）。但是令人驚訝的是，KO-L小鼠的社交行為是正常的（圖2C-E）。不論是α多樣性還是β多樣性，抑或是ASVs 或菌群代謝通路，KO-L小鼠腸道菌群結(jié)構(gòu)與WT-L小鼠沒有顯著差異（圖2H-I）。因此，同窩出生的Cntnap2 -/-小鼠與 Cntnap2+/+小鼠比較存在多動癥表型，但是其社交能力及腸道菌群無顯著差異。

圖2 同窩繁殖體系所得的Cntnap2 -/-小鼠與其野生型相比社交能力正常、腸道菌群結(jié)構(gòu)相似，但仍然存在多動癥表現(xiàn)。（A）同窩繁育體系（Cntnap2 -/-：KO-L；Cntnap2+/+：WT-L）。（B）實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。（C-D）動物三箱社交自由探索實(shí)驗(yàn)（每組n = 14; C, 社交能力: WT-L: t = 5.856, P < 0.0001; KO-L: t = 7.849,P < 0.0001; 兩因素方差分析: F1,52= 1.938, P < 0.1650; D, 社交新奇偏好: WT-L: t = 2.415,P = 0.0386; KO-L: t = 3.145, P = 0.0055; 兩因素方差分析, F1,52= 0.266, P = 0.6082）。（E）社交互動實(shí)驗(yàn)（每組n = 16, Mann-Whitney U = 124, P = 0.897）。（F-G）動物三箱社交自由探索實(shí)驗(yàn)的習(xí)慣階段檢測的自發(fā)活動程度（每組n = 14; (F), 總距離: WTL vs. KO-L: Mann-Whitney U = 42, P = 0.0091; (G), 平均速度: WT-L vs. KO-L: Mann-Whitney U = 42.5, P = 0.0095）。（H）PCA分析腸道菌群β多樣性（PERMANOVA:R2 =0.04440, P = 0.26975）。（I）ASVs系統(tǒng)發(fā)育樹（內(nèi)圈代表組間差異ASVs，綠色：KO中增加；白色：無差異；紫色：WT中增加。外圈代表Benjamini-Hochberg FDR校正后結(jié)果，白色：P ≥ 0.05；黑色：P < 0.05），直方圖為均值±標(biāo)準(zhǔn)誤。
2 在神經(jīng)發(fā)育遺傳缺陷的小鼠中，腸道菌群選擇性改變社交行為而非自發(fā)活動使用同窩對照時(shí)所得的遺傳突變表型差異可以說是研究遺傳易感性表型的金標(biāo)準(zhǔn)，但是對于腸道菌群而言，同窩飼養(yǎng)本身就可能導(dǎo)致菌群改變從而掩蓋了菌群對行為的影響。通過上述研究我們假設(shè)，社交行為表型是由腸道菌群導(dǎo)致而自發(fā)活動表型是由遺傳因素（即 Cntnap2敲除）所導(dǎo)致的。為了驗(yàn)證該假設(shè)，我們進(jìn)行了下面三個(gè)實(shí)驗(yàn)。1）將KO-I小鼠和WT-I小鼠同籠飼養(yǎng)；2）將原來同籠飼養(yǎng)的WT-L和KO-L小鼠分籠飼養(yǎng)；3）將上述四組小鼠（KO-I，KO-L，WT-I，WT-L）的腸道微生物通過糞菌移植（FMT）的方法移植給無菌小鼠（GF）。對于同籠飼養(yǎng)的KO-I小鼠和WT-I小鼠（圖3A-B），他們的腸道菌群可以相互影響最終趨于一致。我們發(fā)現(xiàn)同籠飼養(yǎng)的KO-I小鼠和WT-I小鼠菌群結(jié)構(gòu)相似，不存在顯著不同的ASVs 或菌群代謝通路（圖3I），組間α多樣性（菌群豐度）和β多樣性（PCA分析）差異（PERMANOVA R2= 0.11, P = 0.044）較孤立繁育的KO-I小鼠和WT-I小鼠組間的差異?。≒ERMANOVA R2= 0.36, P = 0.0002）。重要的是，同籠飼養(yǎng)的KO-I小鼠社交行為恢復(fù)正常（圖3C-E）但是仍然存在多動癥行為（圖3F-G）。將原來同籠飼養(yǎng)的WT-L和KO-L小鼠分籠飼養(yǎng)并繁育得到的下一代（WT-T和KO-T，圖4A-B），我們發(fā)現(xiàn)KO-T小鼠雖然社交能力正常，但是社交新奇偏好顯著降低（圖4C-D），該指標(biāo)與ASDs癥狀密切相關(guān)，因此我們認(rèn)為KO-T 小鼠存在社交缺陷。此外，KO-T 小鼠較WT-T小鼠多動癥行為更明顯（圖 4F -G）。KO-T小鼠腸道菌群與WT-T存在顯著差異（圖4H-I），表現(xiàn)在他們間有73個(gè)差異ASVs和44個(gè)微生物代謝通路不同。因此，該實(shí)驗(yàn)證明分籠飼養(yǎng)負(fù)向調(diào)節(jié)了KO小鼠的社交行為并且改變其菌群結(jié)構(gòu)，但是對于多動癥行為沒有顯著影響。最后，為了排除親代飼養(yǎng)及其他變量對行為的影響，并且分析菌群改變對Cntnap2 -/-小鼠行為影響的因果關(guān)系，我們將WT-I、KO-I、WT-L、KO-I組小鼠的腸道菌群通過糞菌移植的方法移植給無菌（GF）小鼠（圖5A）。同其他無菌動物糞菌移植試驗(yàn)一樣，糞菌移植后各組的菌群很大程度上保持了所移植的菌群特征（圖S3）。與其他研究一致，GF小鼠的行為學(xué)表現(xiàn)為社交能力缺陷和較高社交新奇偏好的特點(diǎn)。不同組糞菌移植后的GF小鼠與其所移植糞便來源的小鼠表現(xiàn)出幾乎相同的行為。移植WT小鼠來源的糞便后（GF：WT-I，GF：WT-L），GF小鼠的社交能力缺陷均有所改善（圖5B-C）。對于移植了KO小鼠來源糞便的GF，僅KO-L組糞菌移植的GF小鼠（GF：KO-L）社交障礙得到了改善，KO-I組糞菌移植GF小鼠（GF：KO-I）社交障礙依然存在（圖5B-C）。因此，這些數(shù)據(jù)證實(shí)KO-I組小鼠可能缺少一些對于社交行為至關(guān)重要的一種或幾種腸道細(xì)菌。因?yàn)镕MT并沒有改變移植后GF小鼠的多動癥（圖5D-E），所以本研究結(jié)果證明Cntnap2 -/-小鼠的社會缺陷是由微生物組的改變導(dǎo)致的。

圖3 同籠飼養(yǎng)逆轉(zhuǎn)了KO-I組小鼠的社交缺陷并且導(dǎo)致了相似的腸道菌群結(jié)構(gòu)，但是并沒有逆轉(zhuǎn)多動癥表現(xiàn)。（A-B）實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案。（C-D）通過動物三箱社交自由探索實(shí)驗(yàn)檢測同籠飼養(yǎng)的WI-I和KO-I小鼠的社交行為（每組n = 31-32; C, 社交能力: 同籠飼養(yǎng)的WT-I: t = 9.442, P < 0.0001; 同籠飼養(yǎng)的KO-I: t = 9.284, P < 0.0001; 兩因素方差分析: F1,122 = 0.04696, P =0.8288; D, 社交新奇偏好: 同籠飼養(yǎng)的WT-I: t = 3.666, P = 0.0007;同籠飼養(yǎng)的 KO-I: t = 3.066, P = 0.0053; 兩因素方差分析, F1,122= 0.2135, P = 0.6448）。（E）通過社交互動實(shí)驗(yàn)檢測同籠飼養(yǎng)的WI-I和同籠飼養(yǎng)的KO-I小鼠的社交行為（每組n = 22, 同籠飼養(yǎng)的WI-I vs.同籠飼養(yǎng)的KO-I, Mann-WhitneyU = 192, P = 0.2456）。（F-G）動物三箱社交自由探索實(shí)驗(yàn)的習(xí)慣階段檢測籠飼養(yǎng)的WI-I和同籠飼養(yǎng)的KO-I小鼠的自發(fā)活動程度（每組n = 31-32; (F) 總距離: 同籠飼養(yǎng)的WI-I vs.同籠飼養(yǎng)的KO-I: Mann-WhitneyU = 307, P = 0.0089; (G) 平均速度: 同籠飼養(yǎng)的WI-I vs.同籠飼養(yǎng)的KO-I: Mann-WhitneyU = 303, P = 0.0074）。（H）PCA分析腸道菌群β多樣性（PERMANOVA:R2=0.11351, P = 0.04459）。（I）ASVs系統(tǒng)發(fā)育樹（內(nèi)圈代表組間差異ASVs，綠色：KO中增加；白色：無差異；紫色：WT中增加。外圈代表Benjamini-Hochberg FDR校正后結(jié)果，白色：P ≥ 0.05；黑色：P < 0.05），直方圖為均值±標(biāo)準(zhǔn)誤。也可參見圖S2，表S1-2。

圖4 同籠飼養(yǎng)逆轉(zhuǎn)了KO-I組小鼠的社交缺陷并且導(dǎo)致了相似的腸道菌群結(jié)構(gòu)，但是并沒有逆轉(zhuǎn)多動癥表現(xiàn)。（A-B）實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案。（C-D）通過動物三箱社交自由探索實(shí)驗(yàn)檢測同籠飼養(yǎng)的WI-I和KO-I小鼠的社交行為（每組n = 31-32; C, 社交能力: 同籠飼養(yǎng)的WT-I: t = 9.442, P < 0.0001; 同籠飼養(yǎng)的KO-I: t = 9.284, P < 0.0001; 兩因素方差分析: F1,122 = 0.04696, P =0.8288; D, 社交新奇偏好: 同籠飼養(yǎng)的WT-I: t = 3.666, P = 0.0007;同籠飼養(yǎng)的 KO-I: t = 3.066, P = 0.0053; 兩因素方差分析, F1,122= 0.2135, P = 0.6448）。（E）通過社交互動實(shí)驗(yàn)檢測同籠飼養(yǎng)的WI-I和同籠飼養(yǎng)的KO-I小鼠的社交行為（每組n = 22, 同籠飼養(yǎng)的WI-I vs.同籠飼養(yǎng)的KO-I, Mann-WhitneyU = 192, P = 0.2456）。（F-G）動物三箱社交自由探索實(shí)驗(yàn)的習(xí)慣階段檢測籠飼養(yǎng)的WI-I和同籠飼養(yǎng)的KO-I小鼠的自發(fā)活動程度（每組n = 31-32; (F), 總距離: 同籠飼養(yǎng)的WI-I vs.同籠飼養(yǎng)的KO-I: Mann-WhitneyU = 307, P = 0.0089; (G), 平均速度: 同籠飼養(yǎng)的WI-I vs.同籠飼養(yǎng)的KO-I: Mann-WhitneyU = 303, P = 0.0074）。（H）PCA分析腸道菌群β多樣性（PERMANOVA:R2=0.11351, P = 0.04459）。（I）ASVs系統(tǒng)發(fā)育樹（內(nèi)圈代表組間差異ASVs，綠色：KO中增加；白色：無差異；紫色：WT中增加。外圈代表Benjamini-Hochberg FDR校正后結(jié)果，白色：P ≥ 0.05；黑色：P < 0.05），直方圖為均值±標(biāo)準(zhǔn)誤。也可參見圖S2，表S1-2。

圖5 糞菌移植實(shí)驗(yàn)（FMT）可以將供者的社會行為表型賦予受者而不是自發(fā)活動表型。（A）FMT實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案。（B-C）通過動物三箱社交自由探索實(shí)驗(yàn)檢測FMT后GF小鼠的社會行為（每組n=9-21；B，社交能力：正常菌對照：t = 8.51，P < 0.0001；GF: t = 0.572，P > 0.9999；GF:WT-I FMT: t = 6.557，P < 0.0001；GF: KO-I FMT: t = 0.05714，P > 0.9999；GF: WT-L FMT: t = 5.673，P < 0.0001; GF: KO-LFMT: t = 6.485, P <0.0001；GF: KO-L FMT: t = 6.485，P < 0.0001；兩因素方差分析: F5, 144=16.61，P < 0.0001；C，社交新奇偏好：正常菌對照t = 3.82，P = 0.0012；GF: t = 0.1557，P > 0.9999；GF: WT-I FMT: t = 4.564，P < 0.0001；GF: KO-I FMT: t = 0.1194，P > 0.9999；GF: WT-L FMT: t = 4.006，P = 0.0006；GF: KO-L FMT: t = 5.73，P <0.0001；兩因素方差分析: F5, 144 =7.100，P < 0.0001）。（D-E）動物三箱社交自由探索實(shí)驗(yàn)的習(xí)慣階段檢測FMT后各組GF小鼠的自發(fā)活動程度（每組n=10–22；D，總距離: 正常菌定植與無菌定植GF: t=2.494，P = 0.2230；GF: WT-I vs. GF: KO-I: t = 2.173，P = 0.4942； GF: WT-L vs. GF: KO-L: t = 0.3335，P > 0.9999；單因素方差分析：F5,74 =2.529，P = 0.0361；平均速度：正常菌定植與無菌定植GF: t = 2.501，P = 0.2190；GF: WT-I vs.GF: KO-I: t = 2.218，P = 0.4448; GF: WT-Lvs. GF: KO-L: t = 0.3367，P > 0.9999；單因素方差分析：F5,74 =2.559，P = 0.0343）。直方圖為均值±標(biāo)準(zhǔn)誤。也可參見圖S3和表S1和S2。 3 選擇性微生物干預(yù)可以改善神經(jīng)發(fā)育遺傳缺陷小鼠的社交能力缺陷，但是對多動癥無效雖然我們提供了Cntnap2 -/-小鼠的微生物組的特征，但我們的前期研究主要集中在其特定的腦回路上，尤其是催產(chǎn)素能系統(tǒng)。已知在已有的Cntnap2 -/-小鼠相關(guān)報(bào)道中，催產(chǎn)素系統(tǒng)調(diào)節(jié)社會行為的許多方面，并且與自閉癥相關(guān)。下丘腦室旁核（PVN）是腦內(nèi)主要合成催產(chǎn)素的區(qū)域，Cntnap2 -/-小鼠的室旁核催產(chǎn)素相關(guān)神經(jīng)元較少，并且催產(chǎn)素治療何以改善小鼠的社交缺陷。相應(yīng)的我們的研究也發(fā)現(xiàn)催產(chǎn)素治療可以逆轉(zhuǎn)Cntnap2 -/-（KO-I）小鼠社交障礙而并未逆轉(zhuǎn)多動癥行為（圖S4A-F）。我們以及一些其他研究都發(fā)現(xiàn)羅伊氏乳桿菌（Lactobacillus reuteri，L. reuteri）干預(yù)可以使血漿和PVN催產(chǎn)素水平升高，并且逆轉(zhuǎn)一些ASDs模型小鼠的社交障礙。然而，同樣的操作在缺乏催產(chǎn)素受體的小鼠上卻無效。因此我們進(jìn)一步猜測羅伊氏乳桿菌治療可以改善Cntnap2 -/-小鼠社交障礙。首先，我們檢測了羅伊氏乳桿菌在KO-I小鼠中是否改變，我們通過qPCR方法檢測發(fā)現(xiàn)羅伊氏乳桿菌豐度在KO-I組中豐度降低（圖S5A）。其次，我們發(fā)現(xiàn)羅伊氏乳桿菌治療可以逆轉(zhuǎn)KO-I小鼠催產(chǎn)素神經(jīng)元的缺陷（圖S4G-J）。第三點(diǎn)并且是最重要的是，我們發(fā)現(xiàn)羅伊氏乳桿菌治療逆轉(zhuǎn)了KO-I組幼年以及成年小鼠的社交缺陷（圖6A-C，6G，圖S5B-D）。第四點(diǎn)，相同的微生物干預(yù)并不影響KO-I組小鼠的多動癥表現(xiàn)（圖6D-E）。因此，對KO-I組小鼠進(jìn)行早期或晚期的精確微生物干預(yù)可以選擇性的逆轉(zhuǎn)社交障礙，而非多動癥表現(xiàn)。這一結(jié)論支持決定社交行為和自發(fā)活動的因素是不同的。 4 選擇性微生物干預(yù)通過影響中腦腹側(cè)被蓋區(qū)的社交相關(guān)突出傳遞進(jìn)而改善神經(jīng)發(fā)育遺傳缺陷小鼠的社交能力缺陷包括中腦腹側(cè)背蓋區(qū)（VTA）的腦區(qū)是大腦內(nèi)的獎(jiǎng)勵(lì)刺激應(yīng)答區(qū)，亦是在社交行為調(diào)控中起重要作用的腦區(qū)。準(zhǔn)確的說，PVN中表達(dá)催產(chǎn)素的神經(jīng)元投射至VTA的多巴胺（DA）神經(jīng)元，被催產(chǎn)素激活的DA神經(jīng)元在社交活動中是至關(guān)重要的。通過檢測α-氨基-3-羥基-5-甲基-4-異惡唑丙酸受體（AMPRA）和N-甲基-d-天冬氨酸受體（NMDRA）的比值，我們和其他研究發(fā)現(xiàn)社交活動激活了鳥類和小鼠VTA的DA神經(jīng)元，這一點(diǎn)與“社交活動是一種特殊的獎(jiǎng)勵(lì)機(jī)制”的觀點(diǎn)吻合。有趣的是，這種潛在的社交細(xì)胞相關(guān)性，即VTA-DA神經(jīng)元中社交活動誘發(fā)的突觸傳遞，在存在社交缺陷的ASD模型中也是受損的。羅伊氏乳桿菌治療以催乳素依賴的方式逆轉(zhuǎn)逆轉(zhuǎn)不同ASD小鼠模型的突觸缺陷。我們發(fā)現(xiàn)，與對照組小鼠相比，社交活動未能誘導(dǎo)KO-I組小鼠 VTA神經(jīng)元AMPAR/NMDAR比值升高（圖6F-H）。與之相反，可卡因給藥導(dǎo)致VTA DA神經(jīng)元的AMPAR/NMDAR比率增加，表明DA神經(jīng)元功能正常并且對獎(jiǎng)賞刺激存在反應(yīng)，但對社會獎(jiǎng)賞刺激沒有反應(yīng)（圖6H），羅伊氏乳桿菌治療改善了Cntnap2 -/-（KO-I）小鼠VTA DA神經(jīng)元中社交互動誘導(dǎo)的突觸可塑性缺陷（圖6H），再次確定羅伊氏乳桿菌增強(qiáng)了社交刺激的有效性及獎(jiǎng)勵(lì)機(jī)制。為了評估羅伊氏乳桿菌是否影響與社會行為有關(guān)的其他大腦區(qū)域的突觸傳遞，我們檢測了KO-I和WT-I小鼠的內(nèi)側(cè)前額葉皮質(zhì)（mPFC）中的微型興奮性突觸后電流（mEPSCs）。與前人的結(jié)果一致，與WT-I小鼠相比，KO-I小鼠mPFC錐體細(xì)胞中mEPSCs的振幅和頻率降低（圖6I–6K）。羅伊氏乳桿菌治療未能逆轉(zhuǎn)KO-I小鼠中mEPSCs的變化（圖6I–6K）。這些數(shù)據(jù)表明，羅伊氏乳桿菌在VTA中選擇性地調(diào)節(jié)突觸傳遞的變化，而在mPFC中沒有。綜上所述，使用羅伊氏乳桿菌干預(yù)可挽救KO-I小鼠的社會行為以及與社會行為相關(guān)的可塑性缺陷，但不能挽救多動癥表型。

圖6 羅伊氏乳桿菌干預(yù)不改變Cntnap2 -/-小鼠自發(fā)活動水平，卻能改善其社交缺陷和突觸傳遞相關(guān)變化（A）羅伊氏乳桿菌治療的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案。（B-C）在動物三箱社交自由探索實(shí)驗(yàn)中評估的羅伊氏乳桿菌治療小鼠的社會行為（每組n=19-22；B，社交能力：WT-I +無菌基質(zhì)： t = 5.329，P < 0.0001；KO-I +無菌基質(zhì)：t = 0.2167，P > 0.9999；KO-I + 羅伊氏乳桿菌：t = 12.75，P < 0.0001；兩因素方差分析：F2,116 =36.34，P < 0.0001；C，社交新奇偏好：WT-I +無菌基質(zhì)：t = 6.228，P < 0.0001；KO-I +無菌基質(zhì)：t = 1.241，P = 0.6516；KO-I + 羅伊氏乳桿菌：t = 6.934，P < 0.0001；兩因素方差分析，F(xiàn)2,116 =20.02，P < 0.0001）。（D-E）動物三箱社交自由探索實(shí)驗(yàn)的習(xí)慣階段評估的羅伊氏乳桿菌治療小鼠的自發(fā)活動水平（每組n=19–22；D，總距離：WT-I +無菌基質(zhì) vs. KO-I +無菌基質(zhì)：t = 4.143，P = 0.0003；WT-I +無菌基質(zhì)vs. KO-I + 羅伊氏乳桿菌: t = 3.935，P = 0.0007；KO-I +無菌基質(zhì) vs. KO-I +羅伊氏乳桿菌: t = 0.3565，P > 0.9999；單因素方差分析，F(xiàn)2,58 =10.86，P < 0.0001；E，平均速度：WT +無菌基質(zhì) vs. KO-I +無菌基質(zhì)：t = 3.646，P = 0.0017；WT +無菌基質(zhì) vs. KO-I + 羅伊氏乳桿菌: t = 3.072，P = 0.0097；KO-I +無菌基質(zhì) vs. KO-I + 羅伊氏乳桿菌: t = 0.6995，P > 0.9999；單因素方差分析，F(xiàn)2,58 =7.663，P = 0.0011）。（F）電生理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案。（G）社交互動試驗(yàn)中評估了羅伊氏乳桿菌治療小鼠的社會行為（每組n=16–28對，WT-I +無菌基質(zhì) vs. KO-I +無菌基質(zhì)：t = 6.490，P < 0.0001；WT-I +無菌基質(zhì) vs. KO-I + 羅伊氏乳桿菌：t = 1.079，P = 0.8552；KO-I +無菌基質(zhì) vs. KO-I + 羅伊氏乳桿菌：t = 7.707，P < 0.0001；單因素方差分析，F(xiàn)2,57 =37.53，P < 0.0001）。（H）在基線水平和社交互動后24小時(shí)記錄的VTA的DA神經(jīng)元的AMPAR和NMDAR電流（上圖）和AMPAR/NMDAR比值（下圖）（每組n=6-14；WT-I+無菌基質(zhì)組基線水平vs. 社交活動后：t = 3.462，P = 0.0203；KO-I+無菌基質(zhì)的基線水vs. 社交活動后：t = 0.4072，P > 0.9999；基線水平的WT-I +無菌基質(zhì) vs. KO-I + 羅伊氏乳桿菌：t = 0.1927，P > 0.9999；KO-I +無菌基質(zhì)基線水平vs. KO-I +無菌基質(zhì)+可卡因：t = 3.773，P = 0.0075；KO-I + 羅伊氏乳桿的菌基線水平vs. 社交活動后：t = 3.467，P = 0.0201；單因素方差分析，F(xiàn)6,63 =7.119，P < 0.0001）。（I）微小興奮性突觸后電流（mEPSCs）的代表性痕跡。（J） mEPSCs波幅（每組n=7-9；WT-I+無菌基質(zhì)vs. KO-I+無菌基質(zhì)：t = 3.884，P = 0.0026；KO-I +無菌基質(zhì) vs. KO-I + 羅伊氏乳桿菌: t = 1.295，P = 0.6278；WT-I +無菌基質(zhì) vs. KO-I + 羅伊氏乳桿菌: t = 2.385，P = 0.0797；單因素方差分析：F2,21 =7.680，P = 0.0031）在用羅伊氏乳桿菌治療的WT-I、KO-I和KO-I組中。（K） mEPSCs頻率（每組n=7-9；WT-I +無菌基質(zhì) vs. KO-I +無菌基質(zhì)：t = 3.802，P = 0.0031；KO-I +無菌基質(zhì) vs. KO-I + 羅伊氏乳桿菌: t = 0.9573，P > 0.9999；WT-I +無菌基質(zhì) vs. KO-I + 羅伊氏乳桿菌: t = 2.637，P = 0.0462；單因素方差分析：F2,21 =7.597，P = 0.0033）在用羅伊氏乳桿菌治療的WT-I、KO-I和KO-I組中。直方圖為均值±標(biāo)準(zhǔn)誤。也可參見圖S4和S5。
5 微生物產(chǎn)生的特定代謝物能逆轉(zhuǎn)神經(jīng)發(fā)育遺傳缺陷小鼠社交能力和突觸的缺陷，但是無法逆轉(zhuǎn)多動癥行為腸道微生物產(chǎn)生的或誘導(dǎo)產(chǎn)生的代謝物可在胃腸道以外傳遞信號，并通過腦腸軸調(diào)節(jié)大腦功能。為了研究羅伊氏乳桿菌改善KO-I小鼠社會缺陷的機(jī)制，我們進(jìn)行了非特異性腸道代謝組學(xué)分析。無監(jiān)督層次聚類分析顯示，KO-I小鼠的代謝譜與WT-I小鼠的代謝譜明顯不同（圖7A），并且羅伊氏乳桿菌治療不會將KO-I小鼠的整體代謝譜移回到WT-I的狀態(tài)（圖7A）。鑒于此，我們接下來想知道是否有特異性代謝物的變化可以幫助區(qū)分社交正常（WT-I，KO-I+羅伊氏乳桿菌）和社交缺陷小鼠（KO-I）。隨機(jī)森林分析顯示，在社交正常和缺陷小鼠之間，最具差異性的兩種代謝物是生物喋呤和二氫生物喋呤（BH2），這是四氫生物喋呤（BH4）代謝途徑中的兩種代謝物（圖7B）。更重要的是，與WT-I相比，KO-I小鼠中這些代謝物的水平顯著降低，并通過羅伊氏乳桿菌治療得到完全改善（圖7C和7D）。BH4是一種具有生物活性的生物蝶呤分子，是許多重要酶的輔酶，這些酶產(chǎn)生多巴胺、血清素和一氧化氮等神經(jīng)活性分子。羅伊氏乳桿菌上調(diào)BH4途徑中代謝物的水平（圖7C和7D）并改善KO-I小鼠的社交缺陷，但不能改善其多動癥表型（圖6B–6E和6G），與此同時(shí)，因?yàn)镵O-I小鼠的社交缺陷由微生物組介導(dǎo)（圖1、2、3、4和5；圖S1、2和3），所以我們想知道單獨(dú)用BH4干預(yù)是否可以選擇性地逆轉(zhuǎn)KO-I小鼠的社交缺陷。為了回答這個(gè)問題，KO-I小鼠經(jīng)口灌胃給予BH4（或溶劑）治療（圖7E）。結(jié)果值得我們關(guān)注，與羅伊氏乳桿菌治療一樣，單獨(dú)使用BH4治療可改善VTA腦區(qū)DA神經(jīng)元導(dǎo)致的社交缺陷（圖7F、G和I）和受損的社交獎(jiǎng)賞相關(guān)突觸可塑性（圖7H和7J）。相反，BH4治療未能改善KO-I小鼠的多動癥表型（圖7K - L）。上述結(jié)論進(jìn)一步證實(shí)了社交缺陷由微生物組的變化介導(dǎo)，而多動癥表型由宿主基因調(diào)節(jié)的觀點(diǎn)。因此，羅伊氏乳桿菌通過調(diào)節(jié)宿主腸道內(nèi)內(nèi)源性四氫生物蝶呤水平，至少部分逆轉(zhuǎn)了社交能力和突觸可塑性缺陷。為了檢驗(yàn)BH4是否直接影響社交行為，或通過改變微生物組對社交行為產(chǎn)生影響，我們接下來檢驗(yàn)了BH4是否能夠改善GF小鼠的社會缺陷（圖S6A）。與先前的研究結(jié)果一致，我們也發(fā)現(xiàn)定植羅伊氏乳桿菌改善GF小鼠的社交缺陷，此外，我們還發(fā)現(xiàn)BH4也能逆轉(zhuǎn)GF小鼠的社交缺陷（圖S6B和S6C）。正如我們所料，BH4對GF小鼠的自發(fā)活動水平?jīng)]有影響（圖S6D和S6E）。這些發(fā)現(xiàn)提供了另一個(gè)證據(jù)，即Cntnap2 -/-小鼠的社會行為表型是由腸道微生物組介導(dǎo)的，而多動癥表型是由宿主遺傳決定的。在證明了BH4對于社會行為是由足夠影響之后，我們接下來探索了羅氏乳酸菌對社會行為的影響是否依賴于生物蝶呤途徑。為了回答這個(gè)問題，用羅伊氏乳桿菌治療的Cntnap2 -/-（KO-I）小鼠被注射SPRi3（圖S7A），SPRi3是一種有效且選擇性的烏賊蛋白還原酶抑制劑，是BH4合成途徑中最后一個(gè)關(guān)鍵酶。有趣的是，當(dāng)BH4合成在藥理學(xué)上被阻斷時(shí)，羅伊氏乳桿菌未能改善KO-I小鼠的社交缺陷（圖S7B–S7D），這表明羅伊氏乳桿菌通過調(diào)節(jié)宿主的BH4系統(tǒng)來改善社交缺陷。值得注意的是，SPRi3不影響經(jīng)羅伊氏乳桿菌治療的KO-I小鼠的自發(fā)活動能力（圖S7E和S7F），這進(jìn)一步證實(shí)了社交缺陷和多動癥表型有不同起源的觀點(diǎn)。最后，我們檢查了BH4是否是WT小鼠正常社會行為所必需的（圖S7G）。我們發(fā)現(xiàn)SPRi3對BH4合成的藥理學(xué)抑制會損害WT小鼠的社會行為（圖S7H–S7J），但不會顯著改變運(yùn)動活動（圖S7K和S7L）。因此，BH4系統(tǒng)是有選擇地需要正常的社會行為。

圖7 羅伊氏乳桿菌選擇性地上調(diào)來自四氫生物蝶呤（BH4）合成途徑的代謝物，BH4改善Cntnap2 -/-小鼠的社會缺陷，而不是自發(fā)活動水平（A）WT-I+無菌基質(zhì)、KO-I+無菌基質(zhì)和KO-I+羅伊氏乳桿菌組的小鼠糞便代謝物的層次聚類分析熱圖（每組5-6只）。選擇推理值（SI）（藍(lán)色）表示樹中每個(gè)邊（灰色）的穩(wěn)定性。（B）通過隨機(jī)森林分類法分析WT-I+無菌基質(zhì)和KO-I+羅伊氏乳桿菌與KO-I+無菌基質(zhì)（每組n=5-6）之間差異最顯著的30種糞便代謝物。（C-D）BH4合成途徑中的代謝物水平（每組n=5–6；（C）生物蝶呤：WT-I +無菌基質(zhì) vs. KO-I +無菌基質(zhì)： t = 7.159，P < 0.0001；WT-I + 無菌基質(zhì) vs. KO-I + 羅伊氏乳桿菌: t = 0.6152，P > 0.9999；KO-I +無菌基質(zhì) vs. KO-I + 羅伊氏乳桿菌: t = 6.211，P < 0.0001；單因素方差分析，F(xiàn)2,14 =30.69，P < 0.0001；D，二氫生物蝶呤：WT-I +無菌基質(zhì) vs. KO-I +無菌基質(zhì)：t = 10.34，P < 0.0001；WT-I + 無菌基質(zhì) vs. KO-I +羅伊氏乳桿菌: t = 1.006，P = 0.9944；KO-I +無菌基質(zhì) vs. KO-I +羅伊氏乳桿菌: t = 8.852，P < 0.0001；單因素方差分析，F(xiàn)2,14 =63.40，P < 0.0001）。（E） BH4處理的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案。（F-G）在動物三箱社交自由探索實(shí)驗(yàn)中評估的BH4處理的小鼠社會行為（每組n=13–14；F，社交能力：WT-I +無菌基質(zhì)： t = 6.488，P < 0.0001；KO-I +無菌基質(zhì)：t = 1.968，P = 0.1581；KO-I + BH4: t = 5.514，P < 0.0001；兩因素方差分析： F2,76 = 5.205，P = 0.0076；G，社交新奇偏好：WT-I +無菌基質(zhì)：t = 6.395，P < 0.0001；KO-I +無菌基質(zhì)：t = 1.930，P = 0.1722；KO-I + BH4: t = 6.611，P < 0.0001；兩因素方差分析，F(xiàn)2,76 =6.434，P = 0.0026）。（H）電生理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案。（I）社交互動試驗(yàn)檢測BH4處理小鼠的社會行為（每組n = 9–10對， KO-I +無菌基質(zhì) vs. KO-I + BH4: Mann-Whitney U = 9，P = 0.0021）。（J）在基線水平和社交互動后24小時(shí)記錄的VTA 的DA神經(jīng)元AMPAR和NMDAR電流（上圖）和AMPAR/NMDAR比值（下圖）（每組n=6–8；KO-I +無菌基質(zhì)基線水平 vs. 社交互動后：t = 0.9717，P > 0.9999；基線水平下KO-I +無菌基質(zhì) vs. KO-I+BH4：t = 0.2975，P > 0.9999；KO-I +無菌基質(zhì)社交互動后 vs. KO-I + BH4基線水平：t = 0.7109， P> 0.9999； KO-I + BH4基線水平 vs. KO-I + BH4社交互動后：t = 4.322，P = 0.0015；單因素方差分析，F(xiàn)3,23 =9.125，P = 0.0004）。（K-L）在動物三箱社交自由探索實(shí)驗(yàn)的習(xí)慣化階段評估的BH4處理小鼠的自發(fā)活動水平（每組n=13–14；K，總距離：WT-I +無菌基質(zhì) vs. KO-I +無菌基質(zhì)：t = 4.763，P < 0.0001；WT-I +無菌基質(zhì) vs. KO-I + BH4：t = 6.833，P < 0.0001；KO-I +無菌基質(zhì) vs. KO-I + BH4：t = 1.943，P = 0.1784；單因素方差分析，F(xiàn)2,38 =24.66，P < 0.0001；L，平均速度：WT +無菌基質(zhì) vs. KO-I +無菌基質(zhì): t = 4.827，P < 0.0001；WT +無菌基質(zhì) vs. KO-I + BH4: t =6.853，P < 0.0001；KO-I +無菌基質(zhì) vs. KO-I + BH4: t = 1.898，P = 0.1961；單因素方差分析，F(xiàn)2,38 =24.90，P < 0.0001）。直方圖為均值±標(biāo)準(zhǔn)誤。也可參見圖S6和S7。

討論

我們知道個(gè)體生理學(xué)和行為學(xué)的許多方面都會受到宿主基因組和微生物組的極大影響。迄今為止，人們都單獨(dú)的關(guān)注宿主基因或微生物基因?qū)π∈笮袨楸硇偷挠绊?。鑒于我們不僅受自身基因影響，而且受微生物及其相互作用的影響，因此了解特定神經(jīng)系統(tǒng)疾病的癥狀是由宿主基因變異對腦功能的直接影響引起的，還是由宿主腦-腸-菌軸的改變引起的，這一點(diǎn)至關(guān)重要。我們發(fā)現(xiàn)不同的適應(yīng)不良行為有著不同的病因。具體地說，使用7種獨(dú)立的方法（同籠飼養(yǎng)法、分離實(shí)驗(yàn)、糞菌移植到GF小鼠、選擇性羅伊氏乳桿菌干預(yù)、選擇性BH4治療、催產(chǎn)素治療和SPRi3治療）以及微生物組基因和擴(kuò)增子測序分析，我們提供了支持同樣結(jié)論的證據(jù)，即在神經(jīng)發(fā)育障礙基因的小鼠模型中，社會行為表型由腸道微生物組決定，而動物的自發(fā)活動水平則由宿主等位基因直接調(diào)節(jié)。我們還發(fā)現(xiàn)，羅伊氏乳桿菌干預(yù)不同發(fā)育階段的Cntnap2 -/-小鼠都能夠選擇性地改善其社交缺陷，這表明微生物恢復(fù)社會行為的時(shí)間窗很寬。此外，利用非特異性代謝組學(xué)分析，我們還證明羅伊氏乳桿菌能促進(jìn)宿主內(nèi)源性BH4合成途徑，并且證明了在不進(jìn)行任何微生物干預(yù)下，將BH4直接給藥到動物腸道后也能改善小鼠社會行為和突觸功能的缺陷，但是對自發(fā)活動水平?jīng)]有任何影響。在今后的實(shí)驗(yàn)中，確定其他產(chǎn)生或誘導(dǎo)BH4產(chǎn)生的細(xì)菌種類并檢驗(yàn)它們是否能夠促進(jìn)社會行為將是一件有趣的事情。此前，我們已經(jīng)證明，羅伊氏乳桿菌通過迷走神經(jīng)和催產(chǎn)素系統(tǒng)向大腦發(fā)送信號并調(diào)節(jié)社會行為。更具體地說，手術(shù)切斷迷走神經(jīng)或抑制DA神經(jīng)元中的催產(chǎn)素受體，都會阻止羅伊氏乳桿菌介導(dǎo)的親社會效應(yīng)。有趣的是，BH4 已被證明能增加大鼠體內(nèi)的催產(chǎn)素釋放，而我們發(fā)現(xiàn)與無菌基質(zhì)處理的KO-I小鼠相比，BH4不能改善用選擇性催產(chǎn)素受體拮抗劑處理的KO-I小鼠的社交缺陷（圖S6F和6G）。今后的實(shí)驗(yàn)將檢驗(yàn)BH4的特異性作用以及其作用是否由迷走神經(jīng)介導(dǎo)。最后我們認(rèn)為，BH4的發(fā)現(xiàn)特別有趣：因?yàn)樵趯θ祟惖难芯恐斜砻?，BH4治療可以改善自閉癥患者的一些臨床癥狀，包括社會行為相關(guān)癥狀。此外，我們的發(fā)現(xiàn)也表明，在行為神經(jīng)科學(xué)中對行為的研究時(shí)考慮到微生物的作用是極其重要的。毫無疑問，控制基因組和微生物變量的一致應(yīng)該匹配對照的金標(biāo)準(zhǔn)。然而，正如我們在研究Cntnap2 -/-小鼠的社會行為中發(fā)現(xiàn)的那樣：如果微生物群是一個(gè)作用因素，一些表型可以由于共同居住條件而被掩蓋。事實(shí)上，這些發(fā)現(xiàn)提出了一種有趣的可能性，即在疾病的其他遺傳模型（如糖尿病、癌癥、免疫、病毒感染、神經(jīng)系統(tǒng)疾?。┲锌吹降谋硇涂梢杂伤拗骰?、微生物組的變化和/或它們的相互作用導(dǎo)致。因此，在未來的實(shí)驗(yàn)中，有必要考慮到全基因組的復(fù)雜性，以便充分了解不同行為的病因?？紤]到以前未考慮的變量，如腸道微生物組成、實(shí)驗(yàn)動物繁育方案和宿主微生物群的相互作用，今后的研究不僅應(yīng)提高結(jié)果的可重復(fù)性，還應(yīng)提高該研究的價(jià)值及其在神經(jīng)系統(tǒng)疾病不同動物模型治療中的潛力。最后，鑒于目前遺傳神經(jīng)疾病發(fā)病以大腦為中心的研究觀點(diǎn)，我們相信我們的研究結(jié)果拓寬了我們對基因突變?nèi)绾螌?dǎo)致行為異常的理解。此外，這些證據(jù)也證明，靶向針對與大腦和腸道微生物進(jìn)行干預(yù)，可充分有效地逆轉(zhuǎn)與某些神經(jīng)系統(tǒng)疾病相關(guān)的核心癥狀。

局限性

我們的研究表明遺傳性腦疾病的特定癥狀（或行為異常）可能是通過宿主基因和微生物群的共同作用而產(chǎn)生的。為了充分了解這一現(xiàn)象背后的機(jī)制，還需要開展更多的工作。這些研究包括：（1）研究Cntnap2 -/-的丟失如何導(dǎo)致腸道微生物群組成的改變；（2）BH4產(chǎn)生和向大腦發(fā)送信號的確切機(jī)制。明確我們的發(fā)現(xiàn)是否具有普遍性以及是否可以擴(kuò)展到其他復(fù)雜行為和/或疾病也將是一個(gè)有趣的問題。例如，其他基因突變是否通過宿主基因和微生物組相互作用來調(diào)節(jié)行為和大腦功能？其他疾病，如肥胖癥、癌癥、代謝紊亂和免疫力是否也受宿主基因和腸道微生物群的控制？如果是這樣的話，我們能利用這些知識開發(fā)基于新的微生物療法的針對特定遺傳疾病的精確藥物嗎？

評論

自菌-腸-腦軸的不斷深入研究，許多研究者發(fā)現(xiàn)很多過去認(rèn)為主要由遺傳因素引起的疾病中，腸道微生物也起著重要的作用。腸道微生物可以參與調(diào)控宿主炎癥水平、行為等多方面。但是腸道微生物和宿主遺傳易感性在對宿主調(diào)控中分別起了什么樣的作用，以及他們二者間是否存在潛在的復(fù)雜相互作用，這都是尚不明晰的。美國貝勒醫(yī)學(xué)院神經(jīng)科學(xué)系的MauroCosta-Mattioli團(tuán)隊(duì)發(fā)表的這篇研究利用Cntnap2敲除小鼠這一典型的遺傳突變所致社交行為學(xué)異常的模型，通過研究其腸道微生物組改變，層層遞進(jìn)的揭示了遺傳易感性決定Cntnap2敲除小鼠多動癥表型，而腸道微生物通過羅伊氏乳桿菌街道BH4代謝通路以及催產(chǎn)素依賴的調(diào)節(jié)了Cntnap2敲除小鼠的社交行為。該研究可以說是研究遺傳因素與腸道微生物因素在宿主行為調(diào)節(jié)機(jī)制中具有里程碑意義的發(fā)現(xiàn)。

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