肠道菌群与宿主密切合作，影响机体的生理调节，特别是在大脑发育和功能调节，以及孤独症、焦虑症、抑郁症等疾病中发挥关键作用。

临床研究表明，约四分之三的孤独症患者还伴有某些胃肠功能紊乱。这一现象促使科学家们探索肠道微生物与孤独症之间的潜在联系。最近的研究表明，孤独症患者的肠道菌群与对照组有明显不同，但微生物如何影响孤独症仍是一个谜。来自加州理工学院的Sarkis Mazmanian团队筛选了一种可能介导肠道菌群和孤独症的代谢物-4-乙基苯基硫酸盐（4EPS）。酪氨酸可以被肠道微生物群代谢为4EP，然后在宿主磺基转移酶（SULT1A1）的作用下转化为4EPS。4EPS进入小鼠大脑，影响特定脑区的激活和连接，并破坏大脑中少突胶质细胞的成熟和髓鞘化模式，从而调节小鼠的大脑活动和焦虑样行为。相关成果发表在《Nature》上。

1、4 EPS生物合成途径的研究

以前的研究发现，在非典型神经发育的小鼠模型中，代谢物4EPS的相对丰度很高，并且在测试中，4EPS可以改变年轻小鼠的行为。4EPS在孤独症谱系障碍（ASD）患者的血浆中也增加，并且在CNTNAP2小鼠ASD模型中4EPS的变化是一致的。由于4EPS在无菌（GF）小鼠中检测不到，因此推测肠道微生物组中的基因可以将酪氨酸转化为4EP，然后被宿主硫酸化为4EPS（图1a）。

研究表明，厚壁菌门中的一些稀有细菌可以利用对香豆酸（p—coumaric acid）产生4EP，而对香豆酸的前体包括酪氨酸和一些植物基分子。事实上，4EPS可以在以富含酪氨酸的鱼类饮食和大豆饮食为基础的小鼠中检测到。通过筛选候选肠道细菌，研究人员发现卵形拟杆菌（B. ovatus）可以将酪氨酸转化为香豆酸。使用BLAST工具在卵形拟杆菌中鉴定出一个关键酶——酪氨酸解氨酶（BACOVA_01194）。这种酶的缺失将导致B. ovatus失去产生对香豆酸的能力（图1b）。

研究人员用卵形拟杆菌和植物乳杆菌（可将香豆酸转化为4EP）共同定植于GF小鼠，在小鼠尿液中只能检测到低水平的4EPS。为了提高4EPS水平，对该菌株进行了工程化处理。改良的卵形拟杆菌菌株B.ovatus1194/PAD（MFA05）能将酪氨酸转化为中间产物4-乙烯基苯酚，与L.plantarum在植物共培养条件下，4-vinylphenol代谢生成4EP。与此相反，卵形拟杆菌Δ1194突变体（M FA 01）与L.plantarum共培养时，不产生4 EP（图1c和1d）

图1、4EPS生物合成途径及菌种基因工程改造

2、菌种定植小鼠4EPS的研究

研究人员分别用B.ovatus 1194/PA D和B.ovatusΔ1194菌株定植GF小鼠，获得了4 EP+和4 EP-小鼠。与预期结果一致，在4EP+小鼠的粪便中可以检测到4EP（图1e），并且在它们的血清和尿液中检测到4EPS（图1f）。用丙磺舒治疗4EP+小鼠后，可在其脑中检测到4EPS，表明4EPS可在脑中蓄积（图1g）。4EP和4EPS是酚类分子，可能具有毒性或炎症特性。然而，4EP+和4EP-小鼠在体重或自由活动方面没有显著差异，细菌定植水平也相似。同时，4EP+小鼠在结肠组织和血清中没有出现肠道功能障碍和促炎反应。在4EP+小鼠的大脑中的细胞因子往往是抗炎，并且没有小胶质细胞活化的功能。研究人员建立了一个简化的动物模型，再现了肠道微生物代谢物暴露与行为变化相关的自然途径。

3、4 EPS对脑活动的影响及机制研究

4EP（S）可能影响多种器官，本研究主要针对脑组织。利用功能超声成像技术评价4EP+和4EP-小鼠全脑功能连接的差异：与4EP-小鼠相比，4EP+小鼠的信号传导模式发生了改变，主要集中在海马、丘脑、杏仁核、下丘脑和梨状体和皮层，提示4EPS升高与小鼠脑各区域之间的功能联系异常有关。随后的葡萄糖摄取实验比较了大脑中的神经活动：4EP（S）与下丘脑亚区、杏仁核和终纹，床核，还有丘脑室旁核的葡萄糖摄取有关系。这都表明了4EP(S)会引起多个脑区功能连接和活动的改变，包括与边缘系统相关的几个区域。

为了探讨4EP（S）影响脑活动的分子机制，作者在4EP+和4EP-小鼠的6个脑区（PVT、基底外侧杏仁核、下丘脑、BNST、内侧前额叶皮质和腹侧海马）进行了实验。对mRNA 测序分析。结果表明，4EP（S）主要影响PVT基因的表达，对BNST和基底外侧杏仁核的影响较小。与4EP-小鼠相比，4EP+小鼠的PVT中神经元、新形成的少突胶质细胞和成熟少突胶质细胞特异性基因的表达减少，表明这些细胞类型的发育、丰富和/或活性的下降与4EP（S）相关。进一步分析发现，在4EP+小鼠中，未成熟少突胶质前体细胞增加，成熟少突胶质细胞减少，泛神经元标记物NeuN和泛少突胶质细胞标记物OLIG2的水平保持不变。表明，4EP（S）影响少突胶质细胞成熟，而不是在这个谱系内的细胞总数的变化。与此同时，研究人员发现，4EP+小鼠的整个大脑和胼胝体的神经元髓鞘减少。

图2、4 EP定植生产4EP对小鼠全脑功能连接和区域激活的影响

图3、4EP+小鼠脑内少突胶质细胞成熟度降低

4、4EP（S）可诱发焦虑样行为

研究人员探讨了肠道4EP（S）的产生是否可以调节小鼠的行为。数据显示，在几种常见的行为学测试中，4EP（S）可促进明显的焦虑样行为：（1）高架加迷宫，4EP+小鼠在开放臂末端停留的时间更短。（2）在野外野外考察中，4EP+小鼠进入暴露区的时间较少。(3) 在黑白盒子实验中，4EP+小鼠在黑暗中停留的时间更长。4EP+小鼠也表现出增加掩埋行为，反映了焦虑和/或刻板行为的特点。值得注意的是，富马酸氯马斯汀可以促进少突胶质细胞成熟，防止4EP+小鼠的行为改变。咪康唑诱导髓鞘形成也可以改善4EP+小鼠的焦虑样行为，表明4EP（S）通过影响少突胶质细胞成熟来调节小鼠的焦虑样行为。

图4、4EP(S) 改变髓鞘形成，诱发类似焦虑的行为

总结

本文研究人员发现了代谢物4EP（S）的生物合成途径。酪氨酸或其他食物来源可作为前体被肠道菌群代谢成4EP；4EP在宿主磺基转移酶的作用下转化为4EPS，然后进入大脑，改变特定大脑区域的激活和连接，破坏大脑中少突胶质细胞的成熟和髓鞘化模式。肠道暴露于4EP诱导小鼠的各种情绪行为。4EP（S）如何导致少突胶质细胞成熟和髓鞘化的变化，以及如何影响行为有待进一步阐明。

参考文献

A gut-derived metabolite alters brain activity and anxiety behaviour in mice. Nature. 2022