孤獨(dú)癥譜系障礙（ ASD ）是一類復(fù)雜的神經(jīng)發(fā)育疾病，涉及社交、認(rèn)知和行為等多方面的挑戰(zhàn)，其發(fā)生被認(rèn)為與遺傳因素及環(huán)境暴露共同作用有關(guān)。近年來(lái)，大量研究提示 “ 腸 - 腦軸 ” 在 ASD 中扮演重要角色，但多數(shù)工作仍聚焦于微生物的 物種組成或功能豐 度層面。然而，微生物的基因組本身也在不斷演化，其中包括結(jié)構(gòu)變異（ SVs ）、插入缺失（ InDels ）和單核苷酸變異（ SNVs ）等。它們雖不一定改變菌的豐度，卻可能重塑細(xì)菌的代謝能力，進(jìn)而影響宿主狀態(tài)。

近日 ， C ell Reports Medicine 期刊在線發(fā)表了題為

Integrative multi-omics reveals microbial genomic variants driving altered host-microbe interactions in autism spectrum disorder

首先，研究團(tuán)隊(duì)依托本地臨床中心構(gòu)建了 201 名兒童（ 102 名 ASD 、 99 名年齡與性別匹配的 TD ） 的高質(zhì)量自產(chǎn)發(fā)現(xiàn)隊(duì)列，通過(guò)深度宏基因組測(cè)序和非靶向代謝組分析，全面描繪 ASD 患者在 物種豐度、微生物功能、基因組變異和代謝層面的特征變化 。在此基礎(chǔ)上，研究進(jìn)一步運(yùn)用 因果推斷 構(gòu)建 微生物變異 - 代謝物關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò) ，揭示細(xì)菌基因組突變?nèi)绾悟?qū)動(dòng)代謝改變并可能影響腸 – 腦軸功能。圍繞這些關(guān)鍵特征，研究團(tuán)隊(duì)采用多模態(tài)機(jī)器學(xué)習(xí)方法構(gòu)建了 ASD 無(wú)創(chuàng)診斷模型，并篩選出表現(xiàn)最優(yōu)的標(biāo)志物組合。為提升結(jié)果的穩(wěn)健性，研究又建立了 一個(gè)獨(dú)立的自產(chǎn)驗(yàn)證隊(duì)列（ 69 名兒童，具備配對(duì)多組學(xué)數(shù)據(jù)） ，并整合 8 個(gè)公共數(shù)據(jù)集（共 853 名兒童） 開(kāi)展跨隊(duì)列驗(yàn)證。此外，為評(píng)估這些標(biāo)志物的疾病特異性，研究還在 6 個(gè)非 ASD 疾病隊(duì)列 中進(jìn)行外部驗(yàn)證，涵蓋神經(jīng)發(fā)育障礙、精神疾病及多種兒童常見(jiàn)菌群失衡相關(guān)狀況，包括 2 個(gè)自產(chǎn) ADHD 隊(duì)列 、精神分裂癥、乳糜瀉、肥胖和非酒精性脂肪肝等（圖1）。

圖 1 研究框架

在微生物物種豐度和功能層面，研究團(tuán)隊(duì)鑒定了包括 35 個(gè)物種， 213 個(gè)微生物功能基因和 28 個(gè)功能通路在 ASD 病人和對(duì)照中顯著差異。在 微生物的基因組變異 層面 ， 研究 鑒定了 海量的變異位點(diǎn) 。其中， 1369 個(gè) SNVs 、 233 個(gè) InDels 和 195 個(gè) SVs 在 ASD 和對(duì)照組之間存在顯著差異 。

值得強(qiáng)調(diào)的是， 有 33 種細(xì)菌 在 ASD 和健康兒童之間的 豐度沒(méi)有差異 ，但其 基因組卻發(fā)生了變異 。例如， Bacteroides thetaiotaomicron 和 Faecalibacterium prausnitzii 等常見(jiàn)菌，雖然 豐度 上看似 “ 正常 ” ，但在 基因組變異 層面卻表現(xiàn)出 疾病間差異 。 Prevotella copri 則表現(xiàn)出全方位的異常，不僅豐度改變，在 SV 、 InDel 和 SNV 三個(gè)變異層面均與 ASD 高度相關(guān)，提示它是 ASD 微生物組失調(diào)的 潛在 核心驅(qū)動(dòng)者。 同樣地，有 196 種酶 在 ASD 和健康兒童之間的 豐度沒(méi)有差異 ，但其 核苷酸序列 卻發(fā)生了變異 ， 這些變異涉及 多個(gè)氨基酸代謝通路 ，包括苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸、谷氨酸、天冬氨酸和精氨酸等代謝。 這一發(fā)現(xiàn)提示，過(guò)去的傳統(tǒng)研究可能因?yàn)橹魂P(guān)注 “ 豐度 ” 而遺漏了大量關(guān)鍵的微生物信息。 微生物基因組變異揭示了 ASD 腸道中隱藏的微觀多樣性。

微生物的基因變異并不 都是 靜默的， 部分可能 改變細(xì)菌的代謝功能，并通過(guò)代謝物與宿主大腦進(jìn)行對(duì)話。研究團(tuán)隊(duì) 基于發(fā)現(xiàn)的 99 個(gè)差異代謝物特征， 通過(guò)代謝組學(xué)關(guān)聯(lián)分析， 進(jìn)一步揭示 了 357 個(gè) 微生物變異與神經(jīng)相關(guān)代謝物之間的顯著關(guān)聯(lián) 。在具體菌群層面， Clostridium symbiosum 顯示出最多的關(guān)聯(lián)數(shù)量，其次是 Veillonella parvula 和 Alistipes putredinis ，這些菌與多種神經(jīng)遞質(zhì)前體（如谷氨酸、精氨酸等）的豐度顯著相關(guān)。暗示它們可能通過(guò)調(diào)控神經(jīng)遞質(zhì)合成與釋放、影響腸道屏障完整性和炎癥狀態(tài)，間接參與腸 - 腦軸調(diào)節(jié)過(guò)程 。

為了進(jìn)一步解析微生物變異如何通過(guò)代謝途徑影響 ASD 表型，研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)展了精細(xì)的中介分析（ Mediation Analysis ）， 并 識(shí)別出 1977 條顯著的中介關(guān)系 ，涵蓋 13 個(gè)物種、 14 個(gè) SV 、 9 個(gè) InDel 、 200 個(gè) SN V 、 135 個(gè)基因以及 11 條微生物功能通路和 28 個(gè)代謝物。 從蛋白質(zhì)層面來(lái)看， 其 中有 32 個(gè) 基因組 變異被注釋為可直接影響蛋白質(zhì)序列翻譯 ，并形成 83 條以神經(jīng)相關(guān)代謝物為中介的潛在因果鏈條 。

基于前述發(fā)現(xiàn)，研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了涵蓋微生物物種、功能基因、 SV 、 InDel 和 SNV 的多模態(tài)機(jī)器學(xué)習(xí)診斷模型。結(jié)果顯示， 基因組變異特征的區(qū)分能力顯著優(yōu)于傳統(tǒng)豐度特征 ，其中僅使用 SNV 構(gòu)建的模型即達(dá)到 AUC = 0.940 （圖 6A -C ） 。在整合全部微生物維度后，模型在發(fā)現(xiàn)隊(duì)列中的性能進(jìn)一步提升至 AUC = 0.962 。研究還篩選出由 20 個(gè)核心標(biāo)志物（ 13 個(gè)物種、 3 個(gè)基因、 4 個(gè)變異位點(diǎn)） 組成的 最 精簡(jiǎn) 面板 ， 在保持高準(zhǔn)確度的同時(shí)更具臨床應(yīng)用潛力 （圖 6D ） 。在外部驗(yàn)證中，該模型在 9 個(gè)獨(dú)立隊(duì)列 中展現(xiàn)出優(yōu)異的泛化性（中位 AUC = 0.78 ） （圖 6E ） ，并能有效區(qū)分 ASD 與其他神經(jīng)發(fā)育障礙（如 ADHD 、精神分裂癥）及常見(jiàn)腸道疾病（如肥胖、脂肪肝），顯示出高度的疾病特異性。此外，當(dāng)進(jìn)一步融合代謝組數(shù)據(jù)后，模型的診斷性能最高可達(dá) AUC = 0.99 ，標(biāo)志著 ASD 無(wú)創(chuàng)診斷精度的大幅提升 。

總的來(lái)說(shuō)，這項(xiàng)研究是目前針對(duì) ASD 腸道微生物組最系統(tǒng)、最深入的多組學(xué)探索之一。團(tuán)隊(duì)不僅揭示了長(zhǎng)期被忽視的微生物基因組變異這一“暗物質(zhì)”，系統(tǒng)闡明了“變異—代謝—宿主”之間的作用通路，還構(gòu)建了由微生物 SNV/ InDel 等特征組成的 20 個(gè)核心標(biāo)志物模型，實(shí)現(xiàn)了跨隊(duì)列的高精度預(yù)測(cè)。該研究為理解 ASD 的病理機(jī)制提供了全新的微觀視角，并為未來(lái)基于微生物的精準(zhǔn)診斷與干預(yù)策略奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

該研究第一作者為同濟(jì)大學(xué)博士研究生陳婉寧，共一作者為蘇州大學(xué)附屬蘇州醫(yī)院博士后王新軍。工作在內(nèi)蒙古大學(xué)朱立新教授、同濟(jì)大學(xué)朱瑞新教授（附屬婦產(chǎn)科醫(yī)院 / 生物信息系）、蘇州大學(xué)附屬蘇州醫(yī)院秦環(huán)龍教授、同濟(jì)大學(xué)附屬第十人民醫(yī)院王繼鋒博士的共同指導(dǎo)下完成。西安交通大學(xué)第一附屬醫(yī)院李燕教授團(tuán)隊(duì)與中國(guó)人民解放軍總醫(yī)院楊光教授團(tuán)隊(duì)為研究提供了重要支持。

https://doi.org/10.1016/j.xcrm.2025.102516.

制版人：十一

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