微生物组与健康——自闭症儿童母子肠道菌群相关性研究
GPB最新专辑Microbiome and Health在线发表山东大学齐鲁儿童医院盖中涛教授、山东省立医院李桂梅教授和北航大数据精准医疗高精尖创新中心张磊教授课题组合作的题为“Correlation of Gut Microbiome Between ASD Children and Mothers and Potential Biomarkers for Risk Assessment”的研究论文。我们的“要文译荐”栏目很高兴邀请到本文作者张嘉铭同学为大家解读自闭症儿童母子肠道菌群相关性的研究。
背景
自闭症谱系障碍（ASD）是一种神经行为障碍性疾病，其特征是儿童早期的社交缺乏、刻板行为和认知障碍（Nat Rev Neurol 2014;10:74-81）。遗传研究表明，自闭症的发生发展受遗传因素的影响较大（Nature 2018;562:268-71），但其患病风险具有高度的可变性，常与其他因素有关。最近研究表明，在许多情况下，单靠遗传学分析并不能解释其根本原因（Nat Genet 2017;49:978-85）。虽然自闭症的病因尚不清楚，但一般认为遗传、表观遗传和环境因素相互作用，共同在自闭症的发生发展中发挥作用（Sci China Life Sci 2015;58:958-67）。母亲肠道菌群的改变可能会增加后代患有自闭症的风险（Nature 2017;549:528-32）。动物实验研究表明母亲的肠道菌群紊乱与后代神经发育障碍相关（Cell 2016;165:1762-75）。然而，目前缺少对自闭症儿童的母子肠道微生物菌谱以及其相关性等内容的研究。
本研究收集了59对自闭症母子和30对匹配的健康母子粪便样本。利用16S rRNA基因测序技术对肠道菌群进行评估。展示了自闭症儿童和其母亲以及健康对照的肠道菌群的群落结构，并且评估了细菌生物标志物在临床应用中的潜力。
自闭症儿童肠道菌群结构与
健康儿童相比存在显著差异
本研究展示了自闭症儿童的群落结构特征，发现自闭症儿童（ASD-C）与健康儿童（H-C ）的肠道菌群相比在β多样性分析中具有显著的差异（P < 0.05，图1A），并且通过LEfSe分析找出了在自闭症儿童肠道中显著增加的菌属：栖水菌属（Enhydrobacter），金黄杆菌属（Chryseobacterium），链球菌属（Streptococcus），不动杆菌属（Acinetobacter）和约氏不动杆菌（Acinetobacter johnsonii）。同时发现了在自闭症儿童肠道内丰度降低的菌属：产黑素普雷沃菌（Prevotella melaninogenica）（图2A）。
图1 肠道菌群群落β多样性以及韦恩图分析。
A. 自闭症儿童vs.健康儿童；B. 自闭症儿童的母亲vs.健康儿童的母亲；C.自闭症母子匹配vs.健康母子匹配；D. 自闭症儿童及其母亲，健康儿童及其母亲四组肠道菌群的韦恩图。
图2 不同分组间显著差异分类单元相对丰度以及ROC曲线图。
A. 不同分组间的生物标志物分布热图；B. 儿童生物标志物对自闭症儿童患病风险的预测；C. 母亲生物标志物对自闭症儿童患病风险的预测。
自闭症儿童母亲的肠道菌群
结构特征与健康儿童母亲
也存在显著差异
自闭症儿童的母亲与健康儿童相比，肠道菌群群落结构也存在着显著的差异（P < 0.05，图1B）。Moraxellaceae，肠杆菌科（Enterobacteriaceae），和不动杆菌属（Acinetobacter）在自闭症儿童母亲的肠道内显著增加，而粪杆菌属（Faecalibacterium）显著降低（图2A）。
自闭症儿童肠道中存在着独特的
潜在致病菌
本研究将自闭症儿童与其母亲分为一组（ASD-M+C），健康儿童及其母亲划分为另一组（H-M+C），结果表明母亲与孩子的肠道菌群表现出相似性，且自病症组与健康组相比，肠道菌群结构特征显著不同（图1C，2A）。该研究进一步比较了自闭症儿童与其母亲肠道菌群的差异。梭菌属（Clostridium）在自闭症儿童的肠道中相对丰度显著升高，表明该菌属对于自闭症可能具有潜在致病作用（J Immunoassay Immunochem 2014;35:101-9）（图1D，图3）。
图3 自闭症儿童与其母亲肠道内的差异菌属
所发现的细菌生物标志物在
风险评估中具有潜在价值
为了探讨所鉴定的细菌生物标志物在两种临床鉴别水平（ASD-C vs. H-C，ASD-M vs. H-M）中的潜在价值，本研究构建并评价了生物标志物模型。对于ASD-C和H-C，AUC值高达0.944（4倍，95%置信区间（CI）：84%-100%），敏感性为83.33%，特异性为91.67%（图2B）。对于ASD-M和H-M， AUC值高达0.986（4倍和5倍，95% CI: 94%-100%），具有100%的敏感性和100%的特异性（图2C）。年龄、性别和胃肠道状况对ASD-C和H-C的5个候选生物标志物，对ASD-M和H-M的6个候选生物标志物均没有显著影响。
不同分组间肠道菌群潜在功能的
预测
应用PICRUSt方法预测了自闭症儿童与健康儿童之间肠道菌群代谢功能的差异，发现了40种不同的KEGG途径。ASD-C组在百日咳、肌萎缩侧索硬化和帕金森氏病等疾病途径和细菌运动蛋白中表现出活性增加。ASD-M组和H-M组相比有38种不同的KEGG途径。ASD-M组显示肌萎缩侧索硬化、细菌运动蛋白、肾细胞癌和香叶醇降解途径中的富集增加（图4）。
图4 基于KEGG代谢通路数据库分析得出的具有显著差异的菌群代谢通路。
A. 自闭症儿童vs.健康儿童；B. 自闭症儿童的母亲vs.健康儿童的母亲；C. 自闭症母子匹配vs.健康母子匹配。
总结
1. 中国自闭症儿童的肠道菌群与健康儿童相比有显著差异，且存在潜在致病菌；
2. 自闭症儿童母亲与健康儿童母亲的肠道菌群群落结构也存在显著的差异；
3. 虽然儿童及其母亲的肠道微生物群谱之间存在明显的相关性，自闭症儿童肠道内仍有其独特的细菌标志物；
4. 所发现的细菌生物标志物具有潜在的自闭症风险评估价值。
Genomics， Proteomics & Bioinformatics（基因组蛋白质组与生物信息学报， 简称GPB）：创刊于2003年，是由中国科学院主管，中科院北京基因组所与中国遗传学会共同主办的英文版核心期刊。目前GPB为双月刊，由Elsevier以开放获取（Open Access）的模式出版，刊载来自世界范围内组学、生物信息学及相关领域的优质稿件。2017年被SCIE、JCR和CSTPCD数据库收录，连续六年获得“中国最具国际影响力学术期刊”称号（2013–2018），连续两期获得“中国科技期刊国际影响力提升计划”项目资助（2013–2018）。2018年，在基于Scopus数据库的CiteScore期刊影响力榜单中，位于“计算数学”、“遗传学”、“生物化学”、“分子生物学”四个学科领域Q1区；JCR报告公布的官方影响因子为6.615，位于“基因遗传学”学科领域Q1区；中科院期刊分区，位于“生物大类”学科领域Q1区。入选2018年“中国最美期刊”；获中科院出版基金科技期刊择优支持（2019）。