重磅研究 | Cell：深入剖析遗传因素和微生物因素在宿主复杂行为中的作用

导读传统研究认为，许多神经系统疾病的核心症状是由遗传突变影响了大脑的发育及功能而引起的。但是，肠道微生物群作为另一个重要的变量，也会影响特定行为的发生。因此，明白宿主遗传突变、肠道微生物群及其二者间互作在个体复杂行为中的作用至关重要。我们的研究意外的发现，神经发育障碍模型小鼠（Cntnap2 -/-小鼠）的遗传突变和肠道微生物群调节了不同的社会适应不良行为。 Cntnap2 -/-小鼠的多动症表型由宿主遗传突变引起，而社交行为表型是由肠道微生物群介导的。有趣的是，特定的微生物干预通过上调四氢生物蝶呤合成途径中的代谢物选择性地改善了Cntnap2 -/-小鼠的社交缺陷。我们的研究表明导致Cntnap2 -/-小鼠行为异常的原因可能不尽相同（如遗传因素与微生物因素），因此本研究可能会改变我们对神经系统疾病研究及治疗方法的看法。论文ID

原名：Dissecting the contribution of host genetics and the microbiome in complex behaviors
期刊：Cell
IF：38.637发表时间：2021.3.10
通讯作者：Mauro Costa-Mattioli
实验设计

本文插图

图文摘要
为了探究遗传因素和微生物因素在宿主复杂性为中的作用， MauroCosta-Mattioli等人选择Cntnap2-/-小鼠、其野生型和无菌野生型小鼠作为主要研究对象。 Cntnap2-/-小鼠，是经典的Cntnap2基因（接触蛋白相关蛋白2基因，又称自闭症基因）敲除所致的神经发育障碍模型，表现出类似自闭症谱系疾病（ASD）的社交能力受损以及多动症行为。为了明确Cntnap2敲除对小鼠行为的影响，作者通过以下7个实验方案进行层层递进的分析研究：Cntnap2-/-+/+2）为了验证社交行为表型是由肠道菌群导致而自发活动表型是由遗传因素（即Cntnap2敲除）所导致的，研究者进行了下面三个实验。①KO-I小鼠和WT-I小鼠同笼饲养； Cntnap2-/+Cntnap2-/-+/+③将上述①和②四组小鼠（KO-I ， KO-L ， WT-I ， WT-L）的肠道微生物通过粪菌移植（FMT）的方法移植给无菌小鼠（GF）； 3）为了证实罗伊氏乳杆菌（Lactobacillusreuteri ， L. reuteri）干预是否可以改善-/-小鼠社交障碍，通过qPCR方法检测了KO-I组小鼠粪便菌群中罗伊氏乳杆菌的丰度，并且通过给年幼的KO-I小鼠补充罗伊氏乳杆菌，检测其社交行为及自发活动；4）为了证明罗伊氏乳杆菌改善不同ASD小鼠模型的突触缺陷是否通过催乳素依赖的方式。研究者比较了KO-I和WT-I组小鼠VTA神经元的电生理学改变； 5）为了评估罗伊氏乳杆菌是否影响与社会行为有关的其他大脑区域的突触传递，研究者检测了KO-I和WT-I小鼠的内侧前额叶皮质（mPFC）中的微型兴奋性突触后电流（mEPSCs）； 6）为了研究罗伊氏乳杆菌改善KO-I小鼠社会缺陷的机制，研究者通过非特异性肠道代谢组学分析了KO-I和WT-I小鼠的粪便代谢产物； 7）为了验证单独用BH4干预是否可以选择性地逆转KO-I小鼠的社交缺陷研究者比较了KO-I小鼠经口灌胃给予BH4或溶剂后其社交行为及自发活动； 8）为了探索了罗氏乳酸菌对社会行为的影响是否依赖于生物蝶呤途径，研究者改变了罗伊氏乳杆菌治疗后的Cntnap2-/-（KO-I）小鼠的BH4生物合成途径，并检测其社交行为及自发活动变化。主要实验方法包括：粪菌移植实验；行为学实验；动物三箱社交自由探索实验；社交互动实验；16S rRNA基因测序；微生物基因功能预测；定量PCR（qPCR）细菌定量；罗伊氏乳杆菌的培养及处理；电生理记录；免疫荧光；催产素给药实验；代谢组学分析；四氢生物蝶呤（BH4）给药实验；催产素受体拮抗剂给药实验；SPRi3给药实验。结果
Cntnap2-/-（KO-I）和Cntnap2+/+（WT-I）小鼠其社交能力及社交新奇偏好，如前人所报道， KO-I小鼠表现出明显的社交能力缺陷（图1C）及社交新奇偏好降低（图1D）。 KO-I小鼠不愿与陌生小鼠交流并且也不会对新来的小鼠感到好奇。因此，在社交互动实验中， KO-I小鼠之间的相互交流也较WT-I小鼠更少（图1E）。通过寻找埋藏食物实验我们可以发现， KO-I小鼠嗅觉并无异常（Mann-Whitney U =66, P = 0.7444) ，这证实该小鼠的社交缺陷并非嗅觉异常所致。此外， KO-I小鼠在自发活动中表现出多动症样的行为（图1F-G），这与其他研究是一致的。因此，我们证明孤立繁殖体系所得的Cntnap2-/-小鼠存在显著的社交能力缺陷及多动症行为。有研究报道自闭症病人存在肠道菌群结构的改变。因此我们通过16S rRNA测序分析了本组实验中小鼠的肠道菌群。 PCA分析、PCoA分析（分别用Bray–Curtis差异矩阵和未加权UniFrac距离）分析都证实上述两组小鼠肠道菌群β多样性存在显著差异（图1H、图S1B及图S1C）。分析Shannon指数来评估其菌群的α多样性发现， KO-I小鼠肠道菌群丰度较WT-I小鼠更高（图S1D-E）。此外， 33个扩增子序列变异（ASVs）及33个通过PICRUSt2预测的微生物代谢途径在两组见存在显著差异（图1I和图S1F-H）。因此，孤立繁殖体系所得的Cntnap2-/-小鼠的肠道菌群与+/+的存在显著差异。

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