《iMeta》：Maternal microbiota shapes brain and neuroendocrine development in piglets
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母体微生物群在早期生命发育中发挥着关键作用，然而母体微生物群暴露如何塑造哺乳动物发育过程中的细胞和神经内分泌程序仍知之甚少。在本研究中，研究人员利用无菌（germ-free，GF）和母体微生物群移植（maternal microbiota transplant
母体微生物群在早期生命发育中发挥着关键作用，然而母体微生物群暴露如何塑造哺乳动物发育过程中的细胞和神经内分泌程序仍知之甚少。在本研究中，研究人员利用无菌（germ-free，GF）和母体微生物群移植（maternal microbiota transplantation，MMT）模型，通过整合多区域单核RNA测序、空间转录组学、肠道组织批量RNA测序以及代谢组学，构建了一个集成的多器官猪图谱。研究人员在五个脑区及下丘脑-垂体-肾上腺（hypothalamic–pituitary–adrenal，HPA）轴中分析了673,623个高质量细胞核，并揭示了早期出生后发育阶段微生物群依赖的神经元和胶质细胞状态重塑。MMT重塑了神经元成熟程序，改变了未成熟神经元状态的分布，并在谷氨酸能和γ-氨基丁酸能（GABAergic）神经元中引发了区域特异性转录响应。MMT还重组了神经元-胶质细胞互作网络，并伴随血浆谷氨酸和谷氨酰胺水平的升高趋势。在肠道-大脑-神经内分泌轴上，MMT与HPA轴细胞通讯、应激反应转录程序及免疫特征的协调重塑相关，同时循环皮质醇水平降低。整合的肠道分析揭示了节段特异性转录和代谢重塑，包括色氨酸/吲哚相关代谢物及免疫相关通路的改变。跨物种分层连锁不平衡评分回归进一步鉴定了人类认知和精神神经疾病特质相关遗传信号在源自微生物群响应性猪细胞群的细胞类型特异性基因特征中的富集。本研究建立了一个连接大脑、肠道和神经内分泌轴母体微生物群响应性重塑的大型动物细胞图谱，为理解早期生命微生物信号如何塑造哺乳动物发育生理学提供了一个转化研究框架。
**论文解读：母体微生物群通过肠道-神经内分泌轴塑造仔猪大脑发育的跨物种细胞图谱**
**一、研究背景与科学问题**
哺乳动物大脑的发育不仅受内在遗传程序调控，还持续受到早期环境信号的影响。近年来，肠道微生物群-大脑轴已成为连接肠道稳态与大脑发育的关键双向通讯网络。大量证据表明，肠道微生物通过吲哚衍生物、短链脂肪酸等代谢产物重塑多个脑区的细胞组成、转录程序和神经功能。母体微生物群在编程后代发育中扮演着至关重要的角色，已有研究揭示其可调控后代干细胞功能并影响胎儿期神经发育。然而，母体微生物暴露能否在大型哺乳动物中塑造发育中大脑和神经内分泌系统的细胞及转录组织架构，此前尚不清楚。
啮齿类动物模型虽提供了诸多见解，但猪（*Sus scrofa domesticus*）因其与人类大脑的高度解剖相似性——包括脑回皮层、广泛的基底-丘脑-皮层环路以及Willis环——已成为更具转化优势的大型动物模型。成熟猪和人类的白质含量均超过60%，远高于大鼠的不足12%，且小脑和下丘脑等关键区域的整体表达谱在人与猪之间的保守性高于人与小鼠。因此，本研究利用无菌猪模型，系统探究母体微生物群暴露对发育中大脑、肠道和神经内分泌轴的协调重塑作用。
**二、研究内容与主要结论**
研究人员构建了无菌（GF）仔猪和母体微生物群移植（MMT）仔猪模型，利用出生后第0天（GFD0）、第30天无菌（GFD30）和第30天MMT（MMTD30）三个实验组，通过整合单核RNA测序（snRNA-seq）、空间转录组学、肠道批量RNA测序和代谢组学，构建了覆盖五个脑区、HPA轴和五个肠段的高分辨率多器官细胞图谱，揭示了母体微生物群暴露与大脑发育、神经内分泌功能和肠道代谢重塑的广泛关联。该研究成果发表于《iMeta》期刊。
**三、主要技术方法**
研究人员主要采用了以下关键技术：（1）单核RNA测序（snRNA-seq）分析五个脑区和HPA轴组织的转录组图谱；（2）Stereo-seq空间转录组学解析下丘脑细胞的空间组织；（3）肠道组织的批量RNA测序及加权基因共表达网络分析（WGCNA）；（4）血浆和肠道组织的代谢组学分析；（5）CellChat细胞通讯推断；（6）SCENIC转录因子调控网络分析及scTenifoldKnk虚拟基因敲除分析；（7）跨物种分层连锁不平衡评分回归（S-LDSC）和gsMap空间遗传富集分析。样本来源于荣昌猪仔猪，每组3只独立生物重复。
**四、研究结果**
**母体微生物群响应的细胞图谱揭示发育中猪大脑的神经发育重塑**：通过snRNA-seq鉴定出六种主要细胞谱系，包括星形胶质细胞、内皮细胞、小胶质细胞、神经元、少突胶质细胞和少突胶质前体细胞（OPCs）。MMT与神经元和胶质细胞组成的区域选择性重塑相关，Stereo-seq空间分析进一步证实了下丘脑中微生物群相关的细胞结构变化。
**母体微生物群暴露重塑早期大脑发育中的神经元状态和神经元-胶质细胞通讯**：神经元是母体微生物群暴露的主要转录响应者。伪时间分析揭示了神经元亚型的发育轨迹，MMT与谷氨酸能神经元成熟相关的转录特征、未成熟神经元状态分布改变以及区域特异性转录响应相关。CellChat分析显示MMT增强了NRG1/3–ERBB4信号通路相关的神经元-胶质细胞通讯，并伴随血浆谷氨酸和谷氨酰胺水平的升高趋势。
**母体微生物群移植与胶质细胞转录状态和调控程序相关**：SCENIC分析鉴定了星形胶质细胞、小胶质细胞和少突胶质细胞中细胞类型特异性的转录调控程序。星形胶质细胞呈现六种转录亚群状态。虚拟敲除分析预测TEAD1为星形胶质细胞转录程序的关键候选调控因子，其响应基因富集于免疫相关生物学过程。
**母体微生物群移植重塑HPA轴通讯和应激相关转录程序**：在HPA轴三个组织中，MMT与细胞通讯网络的协调重塑、共享的应激响应转录程序以及显著降低的血浆皮质醇水平相关。血清细胞因子分析显示IL-6、IL-1ra、IL-10和TNF-α显著升高，提示复杂的免疫状态重塑。
**母体微生物群移植重塑肠道区域转录和代谢景观**：空肠表现出最显著的转录重塑，共鉴定出1842个上调和2281个下调基因。跨肠段分析发现50个在所有肠段中一致上调的基因，富含干扰素和免疫应答相关基因，其中*LYZ*为保守的微生物群相关抗菌标志物。代谢组学揭示了色氨酸/吲哚相关代谢物的显著改变。
**跨物种遗传富集揭示微生物群响应性猪细胞群中的人类特质相关特征**：S-LDSC分析显示人类认知、精神神经疾病、神经解剖和睡眠相关特质的遗传信号在微生物群响应性猪细胞群中显著富集。gsMap空间分析进一步定位了教育成就和智商相关信号在下丘脑中的特定空间区域。
**五、讨论与结论**
讨论部分指出，神经元是母体微生物群暴露的主要转录靶点，MMT相关的神经重塑伴随NRG1/3–ERBB4信号增强和谷氨酸-谷氨酰胺代谢改变。同时，HPA轴的协调重塑和皮质醇降低提示微生物群对神经内分泌稳态的调节作用，但缺乏行为学数据无法确定其行为学后果。研究承认样本量有限、因果关系尚未建立等局限性。
研究结论表明，母体微生物群移植与神经元成熟、神经元-胶质细胞通讯、胶质细胞调控程序及HPA轴应激相关转录响应的协调变化相关，肠道分析揭示了沿微生物群-肠-脑轴的节段特异性重塑，跨物种遗传富集将猪脑细胞群与人类神经精神、认知和神经疾病特质联系起来。该研究建立了理解早期母体微生物群如何影响大脑发育的细胞框架，确立了猪作为微生物群-大脑相互作用研究的转化模型。
