王娟+康禹团队发现孤独症致病新机制

文章来源：【公众号】自闭症医学进展；ID号：woniubbhealth

本文是北京大学医学部王娟+中科院基因组所康禹团队发表在ScienceAdvances杂志上的题为A quasi-paired cohort strategy reveals the impaired detoxifying function of microbes in the gut of autistic children的文章。

研究背景

孤独症谱系障碍（AutismSpectrumDisorder, ASD）是一组复杂的神经发育障碍性疾病，以受损的社交功能，重复刻板行为，狭窄兴趣为主要特征。在世界范围内，孤独症的发病率逐渐攀升，美国疾病预防中心发布的2020年美国8岁儿童的孤独症患病率为1/54，再次超过了之前报道的1/59，孤独症发病率呈现持续上升的趋势。

孤独症的病因中，环境因素和遗传因素的交互作用可能起到重要作用。最近很多研究显示肠道菌群在孤独症中起到重要作用。胃肠道共患病在孤独症儿童中很常见。同时由于感觉异常和食物过敏，孤独症儿童非常挑食，并且可能缺少一些消化酶，不可避免地改变一些营养物质和菌群的中间代谢物，对共生菌的定植产生影响，导致了菌群失调。很多研究发现了孤独症儿童肠道菌群失调，比如双歧杆菌丰度降低，梭菌属丰度上升。肠道菌群失调被认为与肠道黏膜炎症以及肠道通透性增加相关。然而，肠道菌群如何参与孤独症的发病机制依然未知。

微生物组即使在健康人群中也存在极大的异质性，另外，微生物组分被复杂的代谢关系所影响，同时也处于复杂的代谢网络中。基于这些因素，研究者开发了一种新型的宏基因组分析策略，即类配对分析法，研究者将具有相似代谢背景的孤独症组和对照组个体一一配对，将原始的分组转换为配对组。这种配对分析方法类似于基因研究中的双胞胎分析（twinsstudy）。

应用这个方法不仅降低了个体异质性，而且增加了统计功效。研究者对79份来自于孤独症组和对照组的样本进行了宏基因组测序，并且对测序得到的数据运用了类配对分析法。研究者发现在孤独症组中肠道菌群的毒素降解通路显著降低。流行病学研究发现毒素暴露是孤独症的一个主要环境因素，孤独症儿童肠道解毒功能受损解释了为什么孤独症患者对毒素暴露更敏感以及肠道菌群是如何参与孤独症的发病机制。

研究方法

研究设计：研究者招募孤独症和健康对照组儿童，采集他们的粪便和晨尿分别用于宏基因组测序和尿液代谢物检测。采用边界配对的方法对两组的微生物特征进行分析。尿液标记物和临床评估得分用于验证孤独症相关的微生物特征的作用。最后再利用微生物特征构建诊断模型，用ROC曲线对模型进行评估。

研究对象：39名孤独症儿童和3-8岁年龄性别相匹配的40名对照组儿童，孤独症儿童采用ADOS进行评估，同时由监护人或者老师填写卡式量表（ChildhoodAutismRatingScale,CARS），重复行为量表（RepetitiveBehaviorScale-Revised,RBS-R），孤独症行为量表（AutismBehaviorChecklist,ABC），胃肠道严重程度评分（GastrointestinalSeverityIndex,GSI）。

随后研究者进行宏基因组测序和注释，再构造配对组，进行差异物种以及差异功能通路分析。然后采用随机森林的方法对预测出的微生物酶构建诊断模型。

统计方法：采用wilcoxon秩和检验比较孤独症组和对照组的差异物种，采用wilxocon符号秩和检验的方法进行配对组的差异功能通路分析，使用Spearman相关系数进行功能通路与尿液有机酸以及临床评估得分的相关分析。

研究结果

类配对分析法揭示了孤独症个体中微生物解毒功能降低

研究者构造了总共65个孤独症-对照对子，比较鉴定出96条孤独症相关的通路，其中39条上调的通路，57条下调的通路。发现在孤独症组中可以看到显著的解毒通路的下降，共5条毒素降解相关的通路下降，其中两条通路与谷胱甘肽合成有关，分别为γ-谷氨酰循环通路和谷氨酸盐及谷氨酰胺合成通路，谷氨酰胺和谷氨酸盐是谷胱甘肽的前体物质。另外三条毒素降解通路为膦酸甲酯，3-苯基丙酸酯/3-（3-羟苯基）-丙酸酯和甲基乙二醛降解通路。这些通路上所有的酶都在孤独症组中下降。

受损的微生物解毒功能与线粒体功能障碍显著相关

代谢障碍在孤独症中广泛存在，研究者定量测量了研究对象尿液有机酸的浓度。结果显示，在孤独症组中最显著的异常包括尿液中与线粒体功能相关的乌头酸、辛二酸、2-羟基马尿酸、延胡索酸等物质水平升高，这表明孤独症儿童可能存在三羧酸循环受损。如下图所示，这些线粒体功能标记物与孤独症相关微生物解毒酶呈显著负相关，表明与孤独症相关的解毒酶与线粒体保护和解毒功能有关，在孤独症中肠道菌群解毒功能的缺失可能影响机体的线粒体功能，而线粒体功能受损被证实是孤独症儿童主要的生理功能障碍。

构建解毒酶诊断模型

为了证实这些解毒酶在孤独症中的作用，研究者构造了微生物解毒酶诊断模型，并用ROC曲线评估诊断模型的功效，诊断模型的AUC值为88%，前五个主要的酶为谷胱甘肽和谷氨酸盐和谷氨酰胺合成酶，氨基苯甲酸酯降解酶、氯烷烃降解酶、甲基乙二醛降解酶。

受损的解毒功能与孤独症严重程度显著相关

另外，研究者对在每个样本中的平均诊断得分和孤独症的临床评估得分进行相关性分析，由于诊断得分是基于解毒功能相关的酶得到的，因此诊断得分也可以看成是微生物解毒功能受损的综合得分。诊断得分随着孤独症严重程度的增加而增加，即随着临床评估得分的增加而增加。这些相关性也表示，受损的微生物解毒功能与孤独症严重程度相关，表明微生物组的变化可能由于解毒功能障碍参与孤独症的发病机制。

所以与健康个体相比，孤独症儿童由于肠道菌群的组成失衡，解毒功能障碍，导致毒素积累，谷胱甘肽耗竭，进而导致线粒体功能受损，出现生理功能障碍。

研究结论

研究结果发现由于孤独症儿童微生物组的失衡，产生微生物解毒功能受损，进而导致孤独症个体中毒素蓄积以及线粒体功能受损，这可能是微生物参与孤独症发病的重要新机制，并为孤独症医学干预提供新的策略。

参考文献：

Mengxiang Zhang, Yanan Chu, Qingren Meng et al. A quasi-paired cohort strategy reveals the impaired detoxifying function of microbes in the gut of autistic children. [J] Science Advances 2020;6:eaba3760