腸道菌群與宿主緊密合作，對機(jī)體的生理調(diào)節(jié)產(chǎn)生影響，尤其在腦部發(fā)育和功能調(diào)節(jié)以及自閉癥、焦慮癥、抑郁癥等疾病中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。臨床研究顯示大約3/4的自閉癥患者同時伴有某些胃腸功能異常，這一現(xiàn)象促使科學(xué)家們探究腸道微生物與自閉癥之間的潛在聯(lián)系。近期研究表明，自閉癥患者的腸道菌群與對照組存在顯著差異，但微生物如何影響自閉癥依舊是未解之謎。來自加州理工學(xué)院Sarkis Mazmanian團(tuán)隊篩選出了一個可能介導(dǎo)腸道菌群和自閉癥的代謝物——4-乙基苯酚硫酸鹽（4-ethylphenyl sulphate, 4EPS）。酪氨酸可以被腸道微生物群代謝成4EP，隨后4EP在宿主磺基轉(zhuǎn)移酶（SULT1A1）作用下生成4EPS。4EPS進(jìn)入小鼠大腦，影響特定大腦區(qū)域的激活和連接，并破壞大腦中少突膠質(zhì)細(xì)胞的成熟和髓鞘形成模式，進(jìn)而調(diào)控小鼠大腦活動和焦慮樣行為。相關(guān)成果發(fā)表于《Nature》。
先前研究發(fā)現(xiàn)非典型神經(jīng)發(fā)育小鼠模型中代謝產(chǎn)物4EPS相對豐度較高，并且4EPS可以改變幼年小鼠野外試驗(yàn)中的行為。在自閉癥譜系障礙患者(ASD)血漿中4EPS也是增加，同時在CNTNAP2小鼠ASD模型中4EPS的變化一致。由于無菌小鼠 (germ-free, GF) 中檢測不到4EPS，由此推測，腸道微生物組的基因可以將酪氨酸轉(zhuǎn)化為4EP，然后被宿主硫酸化為4EPS（圖1a）。有研究顯示，厚壁菌門（Firmicutes phylum）中一些罕見細(xì)菌可以利用對香豆酸（p-coumaric acid）產(chǎn)生4EP，而p-coumaric acid前體包括酪氨酸和一些植物性分子。事實(shí)上，以富含酪氨酸的魚類為主的飲食和以大豆為主的飲食常規(guī)定殖小鼠中都可以檢測到4EPS。通過篩選候選腸道細(xì)菌，研究者發(fā)現(xiàn)卵形擬桿菌Bacteroides ovatus（B.ovatus）可以將酪氨酸轉(zhuǎn)化為p-coumaric acid。使用BLAST工具 (Basic Align ment Search Tool)，在B.ovatus中鑒定出一個關(guān)鍵酶—酪氨酸解氨酶(BACOVA_01194)，該酶的缺失將致使B.ovatus失去產(chǎn)生p-coumaric acid的能力（圖1b）。研究者將B.ovatus和Lactobacillus plantarum（可將p-coumaric acid轉(zhuǎn)化為4EP）共同定植于GF小鼠中，在小鼠尿液中僅能檢測到低水平的4EPS。為了提高4EPS水平，對菌株進(jìn)行工程改造, 改造后的B.ovatus菌株B.ovatus1194/PAD（MFA05）能將酪氨酸轉(zhuǎn)化為中間產(chǎn)物4-乙烯基酚（4-vinylphenol），在與L.plantarum共培養(yǎng)的條件下，4-vinylphenol代謝為4EP。相反，B. ovatusΔ1194突變體（MFA01）與L. plantarum共培養(yǎng)時，不產(chǎn)生4EP（圖1c,1d）。
▲ 圖1. 4EPS生物合成途徑及菌種基因工程改造
研究者在GF小鼠中分別定植B.ovatus1194/PAD和B.ovatusΔ1194菌株，進(jìn)而獲得4EP+和4EP-小鼠。與預(yù)期結(jié)果一致，4EP+小鼠糞便中可以檢測到4EP（圖1e），并且在其血清和尿液中檢測到4EPS（圖1f）。用丙磺舒（probenecid，抑制小分子通過血腦屏障外流的有機(jī)陰離子轉(zhuǎn)運(yùn)體）處理4EP+小鼠后，可以在其大腦中檢測到4EPS，表明4EPS可以在大腦中積累（圖1g）。4EP和4EPS是酚類分子，可能具有毒性或炎癥特性。但4EP+和4EP-小鼠在體重或自由活動方面沒有明顯差異，菌群定植水平相似，同時4EP+小鼠沒有表現(xiàn)出腸道功能障礙，結(jié)腸組織和血清中沒有促炎反應(yīng)。4EP+小鼠大腦中細(xì)胞因子趨向于抗炎，且4EP+小鼠中沒有小膠質(zhì)細(xì)胞激活的特征。表明研究者建立了一個簡化的動物模型，該模型再現(xiàn)了與行為改變相關(guān)的腸道微生物代謝物暴露的自然途徑。
4EP(S)可能對各種器官都有影響，該研究中主要圍繞大腦組織開展。通過功能超聲成像評估4EP+和4EP-小鼠全腦功能連接差異：與4EP-小鼠相比，4EP+小鼠信號傳導(dǎo)模式發(fā)生改變，主要發(fā)生在海馬、丘腦、杏仁核、下丘腦、梨狀體和皮層，提示4EPS升高與小鼠大腦各區(qū)域間功能連接異常有關(guān)。隨后通過葡萄糖攝取實(shí)驗(yàn)比較了大腦的神經(jīng)活動：4EP(S)與下丘腦亞區(qū)（前部、外側(cè)和室旁核）、杏仁核（前部、基底外側(cè)、中央和皮層）和終紋床核，以及丘腦室旁核的葡萄糖攝取增加有關(guān)。這些數(shù)據(jù)表明，4EP(S)會導(dǎo)致多個大腦區(qū)域的功能連接和活動改變，包括幾個與邊緣系統(tǒng)相關(guān)的區(qū)域。
為了探究4EP(S)影響大腦活動的分子機(jī)制，作者對4EP+和4EP-小鼠的六個腦區(qū)（PVT、基底外側(cè)杏仁核、下丘腦、BNST、內(nèi)側(cè)前額葉皮層和腹側(cè)海馬體）進(jìn)行mRNA測序分析。結(jié)果顯示4EP(S)主要影響PVT基因表達(dá)，對BNST和基底外側(cè)杏仁核的影響較小。與4EP-小鼠相比，4EP+小鼠PVT中神經(jīng)元、新形成的少突膠質(zhì)細(xì)胞和成熟少突膠質(zhì)細(xì)胞特異性基因的表達(dá)降低，表明這些細(xì)胞類型的發(fā)育、豐度和/或活性的降低與4EP(S)有關(guān)。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，4EP+小鼠中未成熟的少突膠質(zhì)細(xì)胞前體細(xì)胞增加，成熟少突膠質(zhì)細(xì)胞減少，泛神經(jīng)元標(biāo)志物NeuN和泛少突膠質(zhì)細(xì)胞標(biāo)志物OLIG2水平保持不變，表明4EP(S)影響少突膠質(zhì)細(xì)胞的成熟，而不是該譜系內(nèi)細(xì)胞總數(shù)的變化。同時研究者發(fā)現(xiàn)4EP+小鼠全腦和胼胝體中神經(jīng)元髓鞘形成減少。
▲ 圖2. 定植產(chǎn)生4EP菌種對小鼠全腦功能連接和區(qū)域激活的影響
▲ 圖3. 4EP+小鼠腦中少突膠質(zhì)細(xì)胞成熟度降低
4EP(S)可誘導(dǎo)焦慮樣行為出現(xiàn)
研究者探究了腸道4EP(S)的產(chǎn)生是否可以調(diào)節(jié)小鼠行為，數(shù)據(jù)結(jié)果顯示4EP(S)在幾種常見行為學(xué)檢測中均可以促進(jìn)顯著的焦慮樣行為：（1）高架十字迷宮中，4EP+小鼠在開放臂末端停留時間更少；（2）曠場探索中，4EP+小鼠進(jìn)入暴露區(qū)域的時間更少；（3）黑白箱實(shí)驗(yàn)中，4EP+小鼠在黑暗中停留時間更多。4EP+小鼠也表現(xiàn)掩埋行為增加，反映了焦慮和/或刻板行為特征。值得注意的是，富馬酸氯馬斯汀可促進(jìn)少突膠質(zhì)細(xì)胞成熟防止4EP+小鼠行為改變；使用咪康唑誘導(dǎo)髓鞘形成也可以改善4EP+小鼠的焦慮樣行為，表明4EP(S)通過影響少突膠質(zhì)細(xì)胞成熟調(diào)節(jié)小鼠的焦慮樣行為。
▲ 圖4. 4EP(S) 改變髓鞘形成和誘導(dǎo)焦慮樣行為
本文研究者發(fā)現(xiàn)了代謝物4EP(S)的生物合成途徑，酪氨酸或其他膳食來源物質(zhì)可作為前體被腸道菌群代謝成4EP；4EP在宿主磺基轉(zhuǎn)移酶作用下被轉(zhuǎn)化為4EPS，隨后進(jìn)入大腦，改變特定大腦區(qū)域的激活和連接，并破壞大腦中少突膠質(zhì)細(xì)胞的成熟和髓鞘形成模式；腸道暴露于4EP會誘導(dǎo)小鼠產(chǎn)生多種情緒化行為。4EP(S)如何導(dǎo)致少突膠質(zhì)細(xì)胞成熟和髓鞘化的變化以及如何影響行為等問題有待進(jìn)一步明確。
A gut-derived metabolite alters brain activity and anxiety behaviour in mice. Nature. 2022
