《Advanced Gut & Microbiome Research》：Coevolution of the Human Brain and Microbiome: Roles of Accelerated Regions and Maternal Microbiota in Neurodevelopment
人类大脑与微生物组的协同进化已成为一个关键研究领域，凸显了塑造人类发育的相互作用。人类加速区域（HARs）是在人类中快速进化的基因组序列，在大脑发育中发挥重要作用，影响认知功能和对神经疾病的易感性。研究人员基于对已整理的微生物组-宿主关联与HAR基因组区间的交叉分析，报告了在HARs内肠道微生物群相关宿主遗传因子的描述性富集。研究人员还整理了微生物-代谢物-宿主基因关联，并进行了基于通路和网络的分析，以提名候选信号途径，通过这些途径，微生物组相关代谢物可能影响宿主神经发育程序。妊娠期母体微生物状态已被认为通过影响母体免疫状态和循环微生物或微生物调节的代谢物，从而塑造胎儿发育环境。在动物模型中，对胎儿神经发育的直接效应证据最为有力，而人类证据仍主要具有关联性且受混杂因素影响。在这篇综述和整合计算综合中，研究人员识别了与肠道微生物类群相关的HAR重叠宿主遗传因子，并提名了候选代谢物-通路关系（包括JAK-STAT、催乳素和类视黄醇相关通路），这些关系可能与神经发育过程合理衔接；这些结果具有假设生成性，并推动机制性后续研究。该手稿还探讨了进化理论，包括昂贵组织假说和全基因组理论，如何将这些宿主-微生物相互作用置于背景中。这些发现对于通过微生物组调节来减轻神经发育障碍和增强大脑健康的治疗策略开发具有重要的潜在意义。
**1. 引言**
人类大脑的增大是一个显著特征，始于出生前。人类婴儿的大脑比其它灵长类动物更大但发育更不成熟，允许出生后快速发育。由于进化约束（如母体骨盆决定婴儿出生时头部大小），这种独特模式始于产前发育。人类的脑化商数（EQ）远高于近亲灵长类动物，凸显了人类认知发育的独特性。人类大脑体积的显著增加源于人类特有的产前脑生长加速，以非凡的代谢需求为特征，需在生理上做出权衡。比较分析揭示了能量重新分配的显著模式，人类将更多代谢资源投入大脑发育（+9.52 W），同时减少对胃肠道的能量分配（-9.53 W），体现了近乎完美的代谢补偿，支撑了昂贵组织假说。肠道微生物组对大脑发育的影响日益受到关注，揭示了大脑与肠道微生物组协同进化的复杂关系。本综述将进化框架作为解释背景：昂贵组织假说解释了脑化在能量限制下的约束，将大脑进化与饮食、消化和代谢效率联系起来；全基因组理论强调微生物变异可贡献于宿主表型并参与协同适应。研究人员将这些理论视为组织透镜，同时基于直接实验和计算证据评估机制性主张。
**2. 妊娠期基因组-微生物组协同作用：胎儿神经发育的介质**
**2.1 基因组与微生物组：在塑造胎儿发育中的协同作用**
人类基因组指导受精卵发育为完全成型的人类的复杂过程，遗传因素控制细胞分化和组织器官系统发育，而环境因素（包括母体微生物组）调节这些过程。母体微生物群对胎儿发育和健康至关重要，通过从不同母体部位（肠道、皮肤、母乳和阴道）垂直传播微生物组，影响婴儿肠道微生物群。小鼠研究表明，来自无菌（GF）和常规定植母体的胎儿在肠道、大脑和胎盘中表现出基因表达的显著差异。GF胎儿肠道中参与免疫调节和微生物相互作用的基因活性降低，大脑中神经系统发育必需的基因也受影响，胎盘中对妊娠调节至关重要的基因同样如此。值得注意的是，雄性胎儿对母体微生物群的响应性更高。
母体微生物群调节代谢物水平和免疫反应。妊娠期抗生素使用会减少母亲CD4
+和CD8
+ T细胞，间接影响新生儿免疫力。基础代谢物如芳基硫酸盐、芳烃受体（AhR）配体、三甲基化化合物（TMAO和5-氨基戊酸甜菜碱（5-AVAB））、二肽（Glu-Trp）、脂肪酸衍生物和queuine构成了胎儿基因表达谱。GF母体胎儿中代谢物的最小存在表明它们对胎儿发育的重要性。除了基因表达，微生物组还改变宿主适应性和疾病易感性，宿主导向的选择压力促进有益微生物的维持，而自然选择竞争微生物适应度。这种相互作用维持了宿主内的有益微生物，达到稳定的生态位。母体肠道微生物群可通过跨胎盘途径影响胎儿发育。
**2.2 妊娠早期微生物组：早期神经发育的介质**
妊娠早期是快速神经发育和胎盘重塑的时期，使母体生理状态和炎症状态成为胎儿发育程序的可能修饰因子。在人类中，母体微生物特征与后代结局之间的关联主要具有相关性，并易受饮食、药物暴露、感染和社会经济/环境因素的混杂影响。妊娠早期常占优势的两个属：*Akkermansia muciniphila*产生乙酸，通过SLC2A1增强胎盘中葡萄糖转运，促进神经祖细胞快速增殖；*Bifidobacterium*产生支链脂肪酸（如异戊酸），穿过胎盘屏障刺激胎儿海马PPARγ，对树突分支和突触可塑性至关重要。这些类群的减少会降低丘脑Netrin表达，破坏白质胶质细胞成熟，导致皮质延髓轴突路径异常和少突胶质前体细胞发育。同时，*Bacteroides*物种将色氨酸代谢为吲哚衍生物，抑制母体炎症信号，降低胎儿IL-6水平，保护GABA能中间神经元迁移。缺乏*Bacteroides*驱动的免疫调节会倾斜兴奋-抑制平衡，导致早期感觉运动缺陷。此外，*Coprococcus comes*衍生的丁酸通过组蛋白去乙酰化促进胎儿BDNF表达，保护体感地图形成。候选类群和代谢物类别可能塑造母体免疫和代谢背景，从而影响胎儿发育，但方向性、幅度和胎儿脑相关性需经对照验证。
当这些早期微生物群落受干扰（如短链脂肪酸（SCFA）、吲哚或多胺短缺），关键过程如星形胶质细胞乳酸穿梭、浦肯野细胞成熟和少突胶质前体细胞分化会受损，出生后表现为丘脑皮质连接不足、感觉门控异常或兴奋-抑制失衡，强调了微生物代谢物-胎儿脑通讯所需的时间精确性。因此，妊娠早期微生物谱是神经发育轨迹的关键介质，为靶向母体干预提供了有前景的途径。
**2.3 人类大脑发育的进化驱动因素**
人类大脑皮层通过遗传与环境适应的相互作用显著扩展。早期研究强调蛋白质编码基因，但新兴证据强调了非编码调控在人类认知中的重要性。比较基因组和表观基因组分析揭示了快速进化的人类序列——人类加速区域（HARs）和人类获得增强子（HGEs）——作为有效的调控元件。HARs在其它灵长类动物中保守，但在人类中存在差异，暗示它们参与物种特异性神经发育特征。HGEs也表现出比其灵长类对应物更显著的表观遗传变化，但靶向与HARs相同的蛋白质编码基因。两种调控元件富集于特定细胞类型，尤其是外侧脑室下区（oSVZ）的神经祖细胞和上颗粒神经元，表明它们协调皮层生长的基本分子机制。HAR或HGE相关基因与神经发育障碍的关联强调了它们在塑造神经元表型中的作用。人类谱系进化和认知基因（如IQ和EA）在中颞回谷氨酸能神经元中的表达重叠，突出了加速基因区域、神经元结构和认知复杂性之间的可能联系。除遗传调控外，人类微生物组也影响大脑进化。微生物组的扩展基因型为宿主贡献了额外的遗传能力，反映了相互关联的协同进化关系。然而，由于微生物更新速度比宿主寿命快，跨代微生物传播可能不一致。环境变化和宿主种群复杂性进一步复杂化了微生物驱动进化结果的预测。
为更好地阐明这些相互作用，研究人员整合了已整理的宿主-微生物组资源，以提名与神经发育相关的候选HAR连锁宿主因子、微生物和代谢物。简要步骤包括：(i) 检索已发表的HAR坐标集，并与GIMICA数据库中整理的肠道微生物组相关宿主遗传因子相交，以定义微生物组相关HAR位点；(ii) 汇编相关微生物类群并注释分类和宿主关系类别；(iii) 从gutMGene提取微生物-代谢物-宿主基因三联体，并使用MetOrigin分配代谢物来源和共代谢类别；(iv) 使用MetaboAnalyst进行代谢物通路分析，采用KEGG人类通路，并以FDR阈值控制显著性；(v) 使用计算机模拟渗透性/性质预测优先考虑候选代谢物对大脑的潜在相关性。使用NetworkAnalyst组织相互作用层和已整理的调控基序/miRNA资源进行组织网络和调控分析。这些数据阐明了协同进化压力如何作用于宿主遗传和微生物群落，塑造人类健康和疾病的方面，尤其在神经发育背景下。因此，人类大脑的进化是一个多层次过程，涉及调控基因、HARs、HGEs和微生物组。干细胞衍生的人类大脑类器官等进展现在允许研究人员剖析早期发育过程并进行跨物种比较，突出了人类特异性认知特征的分子基础，并强化了这些协同进化要素的关键作用。
**3. 母体微生物组**
**3.1 母体微生物组：指导婴儿发育和终身健康**
共生微生物群相互作用和免疫系统编程影响中枢神经系统（CNS）发育，这主要证据来自GF小鼠表现出全身性免疫、代谢和行为改变。在健康妊娠中，活细菌直接定植胎儿尚未得到一致支持，低生物量产前样本中微生物DNA的检测对污染和技术伪差高度敏感。一个更保守且目前更受支持的模型是，母体微生物状态主要通过跨胎盘暴露于微生物或微生物调节的代谢物和免疫介质来塑造胎儿环境，这在动物模型中最为清晰。GF小鼠缺乏约100种宿主生理和胎儿发育所必需的微生物诱导代谢物。然而，母体微生物代谢物对胎儿发育的影响尚不清楚。Husso等人[105]识别了GF小鼠中神经功能和相关基因本体论（GO）类别（如轴突发育、髓鞘形成、化学突触形成和抗病毒免疫）的下调，强调了微生物在CNS发育中的重要性。由于垂直传播，阴道微生物组与新生儿皮肤、口腔和鼻腔微生物组有相似性，而剖宫产改变了这种传播，使新生儿和母体皮肤微生物组更相似。出生后24-48小时，新生儿和母体微生物组之间存在相似性，表明随年龄增长传播类群减少。*Bifidobacterium*、*Escherichia/Shigella*和*Veillonella*主导婴儿微生物群，其多样性低于成人，而成人微生物组更丰富，以*Firmicutes*为主。
当前研究发现丁母-婴微生物传播模式，表明特定微生物群与HARs之间存在进化相互作用。这种协同进化相互作用可能影响婴儿微生物组发育和长期健康，如母-婴微生物组传播模式塑造新生儿。*Bacteroides*、*Eubacterium*、*Helicobacter*、*Desulfovibrio*、*Lachnospira*、*Parabacteroides*、*Coprococcus*和*Campylobacter*主导婴儿粪便微生物群，而*Lactobacillus*主导婴儿皮肤微生物组，*Mycobacterium*主导鼻腔微生物组，*Porphyromonas*、*Pseudomonas*、*Comamonas*、*Streptococcus*、*Neisseria*和*Fusobacterium*主导口腔微生物组。*Bacteroides*和*Parabacteroides*强共现，与共享抗生素耐药基因和水平基因转移一致。*Neisseria*和*Porphyromonas*在婴儿中高共丰度，母体*Neisseria*水平低与低出生体重结局相关。
由于母体母乳和粪便微生物组强相关，研究人员观察到母体口腔和粪便微生物组中*Campylobacter*和*Porphyromonas*的一致共现。妊娠小鼠的口腔病原体感染常导致胎盘和胎儿健康并发症。在母亲中，*Lactobacillus*和*Streptococcus*丰度在阴道和口腔微生物组之间呈负相关。相关物种丰度和微生态变化可与健康和疾病相关，其中正相关对婴儿和母亲有益，强调了早期微生物定植（主要通过阴道分娩和母乳喂养）的重要性。到哺乳第四周，*Pseudomonas*、*Rhizobium*、*Comamonas*和*Helicobacter*主导婴儿口腔、皮肤和鼻腔微生物组。这种差异定植率影响早期微生物多样性和长期健康。
肠内生态平衡破坏导致病原相关分子模式（PAMPs）增加，激活下游信号通路。在小鼠中，Vuong等人[82]探索了调节神经发育的不同因素。此发育期主要由母体肠道微生物组调节。例如，产孢子*Clostridia*和*Bacteroides*恢复抗生素处理小鼠丘脑皮质轴突中的Netrin-G1a表达，表明这些微生物在丘脑皮质轴突发生中起重要作用，防止成年后代缺陷。此外，GF小鼠的前爪刺激潜伏期延长，通过补充四种代谢物混合物（包括TMAO、5-AV、IP和HIP）可预防，表明这些微生物代谢物在胎儿轴突发生和行为中的重要作用。TMAO是肠道微生物代谢产物，参与激活PERK通路诱导FoxO1转录和胰岛素抵抗。在神经发育方面，该代谢物促进丘脑皮质轴突发生，同时升高水平已显示通过干扰一氧化氮信号破坏血脑屏障完整性。另一重要代谢物咪唑丙酸（IP）由肠道微生物产生，是主要免疫调节剂，降低IL-4/IL-13水平，对丘脑皮质轴突发生重要。5-AV由*Clostridia*产生，恢复小鼠轴突缺陷，并减少重复行为、改善社交互动。HIP是肠道微生物代谢产物，通过AMPK-PGC1α通路改善线粒体功能，增加小鼠丘脑皮质轴突数量。Zhao等人[162]识别出TMAO、IP和HIP混合物诱导了NG2、TUJ1、PDGFRA、MAP 2和MBP在小鼠中的表达。这些基因表达对神经元功能成熟至关重要，因此母体微生物相关代谢物可对胎儿神经发育产生强效影响。
**3.2 协同进化压力：母体微生物组与胎儿发育中的适应与竞争平衡**
胎儿代谢需求依赖于母体微生物组。研究聚焦于肠道微生物组与胎儿发育作为协同进化关系的一部分，涉及多样化和共物种形成，以指导宿主-微生物组动态。进化压力引起哺乳动物微生物组波动，以维持有益共生关系。此协同进化理论存在例外，因为对宿主生存至关重要的微生物菌株会增加竞争力，可能超过宿主益处。微生物性状的有利选择通过相互耐受而非直接协同适应维持进化稳态，有益于宿主。
宿主-微生物协同进化源于微生物组与系统发育相关宿主性状的关联。因此，宿主倾向于保留系统发育符号“系统共生”，微生物偏离中性群体理论的预期模式。微生物生态位在宿主内辐射，因为宿主性状并非静态。这导致微生物生态过滤，使微生物群落在宿主内连续世代繁衍。评估宿主-微生物协同进化的另一标准是单个微生物谱系与其宿主之间是否存在匹配的系统发育。匹配的宿主-微生物系统发育表明宿主-微生物组共分化，可能由有益共生体或其他单向进化过程驱动。在人类等复杂全生物中，来自优势科（如*Bacteroidaceae*、*Bifidobacteriaceae*和*Lachnospiraceae*）的四个分支被发现与宿主系统发育共分化。尽管有益宿主，微生物-宿主相互作用仍难以解释。部分微生物群可胜过其他微生物，使宿主和微生物群作为单一进化单元的概念复杂化，如病原体*Clostridium difficile*和*Salmonella enterica*。资源竞争和其他微生物间相互作用塑造微生物组，常受宿主饮食影响，并可加速微生物菌株分化为生态位。物理性质如粘蛋白产生、粘附性和VI型分泌系统影响微生物竞争，此外还有群体感应机制如自诱导剂-2（AI-2）系统调节信号通路。
在母体微生物组内，母体与胎儿之间的垂直微生物传播代表一个进化保守现象，具有深远意义。有益类群如*Bifidobacterium*、*Bacteroides*和*Lactobacillus*通过阴道分娩和母乳喂养定植。通过分娩和母乳喂养的母-婴微生物传播已得到充分支持，可塑造早期定植和免疫发育。在妊娠期，将母体微生物组对胎儿神经发育的贡献框定为间接（通过母体免疫调节和代谢物可用性）仍更合理。一个合理假设是，对宿主调控元件（包括HAR连锁位点）的选择可能影响母体屏障、免疫或代谢表型，进而偏向微生物群落结构和循环代谢物谱；此假设需直接实验检验。协同进化压力可能驱动母体微生物组产生影响胎儿发育的代谢物。必须理解复杂的进化和生态动态以治疗和改造人类微生物组。预测共生体竞争力和长期稳定性使得构建具有改善营养、定植抵抗和免疫功能的健康微生物组变得困难。开发益生菌时也应考虑微生物菌株的进化历史和宿主稳定性。理解两者可帮助研究人员在治疗上操纵微生物组并最大化微生物共生。
**4. 饮食、微生物组与人类健康进化**
**4.1 饮食-微生物组相互作用：基因与微生物之间的双峰关联**
自约10,000年前新月沃地农业发展以来，人类历史发生了巨大变化，促使游牧民族成为农民。这表明人类饮食和生理发生了改变，因为谷物和块茎的驯化与消费变得普遍。这些食物经过烹饪后更易消化且营养更丰富。这种饮食变化加速了肠道酶适应并改变了肠道微生物组。近期研究显示了肠道微生物代谢物、饮食和遗传之间的相互作用，尽管这本身并不确定这些实践何时、何地或如何塑造了古代人类微生物组。研究人员分析了与HARs相关的饮食来源微生物代谢物，以证明饮食、微生物组和人类遗传创新的相互依赖性，例如*Bacteroidetes*和*Porphyromonas* spp.将饮食来源的阿魏酸转化为(3-(4-羟基-3-甲氧基苯基))丙酸（HMPA），增加血清酚酸代谢物。HMPA通过降低血浆葡萄糖和肝甘油三酯，显著减少高脂饮食诱导的肥胖。因此，位于或靠近HARs的人类基因（如TLR4和FTO）应被解释为宿主侧候选因子，可能通过免疫、上皮、代谢或内分泌表型间接影响微生物生态。
为理解HAR连锁位点如何与微生物组合理关联，研究人员主要通过宿主介导的生态机制解释这些关联。由于HARs富集调控序列，其最可能的微生物组效应通过改变宿主转录和生理状态发生。在此框架中，HAR连锁或HAR邻近宿主因子可能通过塑造黏膜免疫状态、上皮屏障完整性、聚糖呈现、营养和胆汁酸环境以及定义肠道生态位的更广泛内分泌-代谢条件来影响微生物群落结构。相反，微生物代谢物（包括SCFAs和色氨酸衍生吲哚）可通过受体介导和染色质连锁信号调节宿主炎症、代谢和转录通路。因此，这里提出的HAR-微生物组关系是双向宿主生态模型。建立方向性和发育相关性需要对妊娠相关模型进行位点特异性扰动和受控微生物或代谢物暴露。
色氨酸代谢物吲哚-3-甲醛（I3A）由肠道细菌（如*Clostridium*和*Lactobacillus*）产生，作为AhR激动剂增加肠道免疫细胞白细胞介素-22（IL-22）产生、黏膜反应性和免疫功能。值得注意的是，主要I3A生产者*L. reuteri*在FTO缺失后减少。苯丙丙酸由*Clostridium*和*Eubacterium*在苯丙氨酸加工过程中产生，指示肠道*Clostridium sporogenes*活性。此代谢物在全谷物中通过AhR信号促进肠上皮屏障功能，并增加*Lachnospiraceae*水平。删除HAR关联的AVP基因会增加*Lachnospira* spp.丰度。苯甲酸是苯丙氨酸和肠道多酚代谢的中间产物，在肝脏与甘氨酸结合形成马尿酸，*Lachnospiraceae*有助于其减少。二十碳五烯酸（EPA）是一种抗炎前体，存在于母乳中，其水平与较高*Lachnospiraceae*丰度相关，反映了脂肪酸代谢中的饮食-微生物相互作用。此外，某些肠道*Streptococcus*物种代谢淫羊藿苷产生淫羊藿次苷II，一种具有抗炎和抗肿瘤作用的糖基黄酮。HARs中的人类遗传变异rs2209683显著影响*Streptococcus*丰度，有益宿主。
然而，并非所有肠道微生物代谢物都有益。肠道微生物将谷物和蔬菜中的三甲基赖氨酸转化为5-AVAB。5-AVAB抑制脂肪酸氧化，并在高脂饮食喂养的小鼠中增加心脏肥大和功能障碍，尽管其与全谷物和蔬菜消费相关。然而，在患病心脏中，5-AVAB补充被观察到保留线粒体功能。此外，以高饱和脂肪、精制糖和低纤维为特征的西式饮食（WSD）显著破坏母体肠道微生物组，增加变形菌门，减少产SCFA类群（*Faecalibacterium prausnitzii*和*Roseburia*），最终引发全身性炎症并损害胎盘和血脑屏障功能。队列研究将母体WSD与后代自闭症谱系障碍（ASD）风险几乎翻倍和注意缺陷/多动障碍（ADHD）风险超过两倍联系起来，主要通过减少神经保护性吲哚衍生物、过度犬尿氨酸通路激活和关键神经发育基因（如*FOXP2*和*SRGAP2*）的表观遗传抑制。这些微生物和分子变化阻碍胎儿海马生长、皮层树突复杂性和工作记忆。鼓励的是，纤维补充和靶向益生元可恢复微生物组多样性、升高SCFAs并改善神经行为结局，强调了产前饮食作为预防跨代神经发育风险的可改变因素。这些例子展示了饮食、肠道微生物组和宿主遗传如何通过适应过程改变人类代谢。理解此类相互作用将有助于确定饮食如何影响健康，并实现治疗性微生物组干预。
**4.2 烹饪人类：火如何改变大脑和微生物组**
增加食物加工（包括烹饪）促进人类脑化的假说基于两条间接证据：(i) 部分地区间歇性而后更习惯性用火的考古记录，且关于各遗址时间和强度的争论仍在进行；(ii) 实验工作表明，在现代模型中热处理可增加食物净能量获取。这些观察与改进的饮食能量产量可能减少与脑扩展相关的能量约束一致，但并非烹饪是大脑进化单一驱动因素的直接证据，也未证明烹饪在古代肠道微生物组中产生了特定的可遗传变化。
宿主-微生物群关联的进化观点显示了其对健康和疾病的重要性。当原始人类在6-8百万年前（mya）与猿类分离时，其肠道生理发生了剧烈变化。由于摄入更多肉类和脂肪，原始人类发展出比其前身（以高纤维饮食为主）更小的肠道。人类大肠仍然重要，但胃容量比猿类小得多。这些姿势变化解放了早期原始人类的前肢用于操作，并转移了重心以促进双足行走。约1.5 mya，对火的掌握实现了烹饪。这一技术进步增加了营养供应，并允许形态学变化（如下颌肌肉和牙齿减少），由于选择压力释放。这些变化支持了智人的高级认知功能和颅容量。此外，颅骨平衡的改善改善了脊柱连接并支持直立姿势。首批智人的快速颅骨生长需要高质量饮食以维持代谢需求。这种增加的饮食能量需求对肠道微生物组施加了选择压力，改变了微生物基因库和群落结构。越来越多的证据表明，人类肠道微生物组在迁移和多样化后与其宿主共分化。
类似地，一些创始肠道细菌进化出特殊功能以利用生态位并实现多样化的微生物群落。多尺度新生突变（约2 × 10
9至6 × 10
12 SNPs/微生物群/天）、水平基因转移和菌株替代展示了肠道细菌进化的动态性质。这表明肠道微生物组如何适应环境压力，尽管哺乳动物消化系统长期关联，进化仍在继续。尽管羊水微生物组的概念因样本污染而存在争议，但母乳喂养已被证明可传播有益微生物。因此，跨许多微生物类群转移核心共生功能创造了健康的肠道微生物组。这种进化视角可帮助开发下一代精准医学，以利用微生物组和相关因子改善健康。
**5. 微生物组与外暴露组：塑造胎儿神经发育的相互关联通路**
人类微生物组包括细菌、真核生物、古菌和病毒。真菌组、病毒组和古菌组在过去几年中研究有限，而*Bacteroidetes*和*Firmicutes*定植已被充分研究。从受孕和妊娠开始，胎儿发育依赖于终身微生物组发育。各种环境因素（称为“外暴露组”），如慢性应激、年龄和遗传变异，影响儿童发育和健康。外暴露组与菌群失调、氧化应激和免疫激活通路汇聚，最终影响胎儿表观遗传机制。此外，微生物和线粒体从母体到胎儿的传播影响神经发育和其他生理系统。神经元增殖、分化、迁移、突触生成和修剪依赖于胎盘表观遗传适应。图3提出了一个基于证据层级框架的HAR-微生物组-母体-胎儿信号模型。
**5.1 母体微生物组-胎盘串扰：产前信号及其对胎儿发育的影响**
产前微生物组影响胎儿发育的想法挑战了无菌胎儿环境假说。母体产前肠道微生物组组成影响后代大脑结构和行为，在小鼠研究中得到证实。Dawson等人观察到母体产前肠道微生物组增加的α多样性与儿童行为问题减少相关。表现正常儿童的母亲在妊娠期富含*Lachnospiraceae*和*Ruminococcaceae*。特定变异性允许微生物代谢物通过母体肠道黏膜到达胎儿。Chen等人识别出肠道菌群失调介导的肠道屏障泄漏，允许*Fusobacterium*等微生物侵入子宫腔，导致某些妊娠并发症（如先兆子痫）中的不良胎盘形成和高血压。在首次胎粪中检测到细菌DNA以及剖宫产后婴儿微生物组改变表明，胎儿在出生前主要因污染物暴露而接触微生物。Kennedy等人讨论了健康胎儿的无菌性，并识别出子宫是无菌的。即使确认无菌子宫，各种暴露途径也可在胎儿环境中引入细菌代谢片段。这归因于通过外泌体介导途径的细菌DNA转位污染。导致侵入胎儿的转位可能要求母体微生物介导的细菌DNA或其代谢物从阴道或肠道通过外泌体传递给胎儿，挑战了无菌子宫概念。到孕中期，来自*Lactobacillus*和*Staphylococcus*的弱但一致的16S rRNA信号出现，这种早期微生物暴露已被证明可 priming胎儿记忆T细胞发育。新生儿微生物谱显示出生前后获得的微生物群多样性，即使胎儿肠道缺乏多样性。产前微生物组与妊娠结局之间的关系尚待研究，以解决早期微生物定植的作用及其对母胎健康作为长期结局的影响。这种微妙相互作用表明在妊娠期间母胎界面存在微生物暴露。微生物组分因此与宿主免疫通路相互作用，涉及主要免疫调节因子STAT3和TLR4，积极响应脂多糖（LPS）或微生物产物。研究人员假设，进化免疫压力和反复的母胎免疫冲突适应性塑造了HAR调控元件，进而通过免疫信号调节胎儿神经发育基因通路。
**5.2 母体微生物组代谢物：胎儿神经发育的表观遗传调节**
肠道屏障功能障碍已被牵涉到胃肠道以外的疾病，强调了微生物组衍生神经营养因子（如BDNF）在神经元存活和大脑发育中的作用。肠道微生物组和大脑持续相互作用影响CNS发育，如小鼠模型所示。这些代谢物对突触生成和神经传递至关重要，因为来自肠道的微生物相关分子模式（MAMPs）刺激CNS免疫发育并通过突触修剪维持小胶质细胞功能。这种调节依赖于肠道微生物组的SCFAs。Ferguson等人报道ASD儿童常表现出慢性便秘和与肠道菌群失调相关的肠道通透性增加，突出了微生物组在神经发育障碍中的重要作用。SCFAs（包括乙酸、丙酸和丁酸）代表一组特征明确的母体微生物组代谢物，影响胎儿神经发育。例如，丁酸刺激BDNF表达、神经发生和神经元增殖。血清素和色氨酸是调节胎儿早期脑线路形成的其他代谢物。母体免疫激活（MIA）可改变胎儿GABA能神经元基因的DNA甲基化，可能破坏大脑发育并增加ASD风险。HARs相关微生物群关联代谢物的通透性在图2E中说明，并在表S7中详细列出。
血脑屏障通透性由肠道代谢物如血清素、GABA和SCFAs维持。母体肠道来源的色氨酸影响胎盘血清素合成，通过影响细胞增殖、神经可塑性和早期脑线路形成来调节胎儿神经发育。大脑肽聚糖感知受体与微生物肽聚糖相互作用，直接强调了肠道微生物组与CNS发育的复杂性。在早产妊娠期间，母体微生物组-胎儿表观基因组相互作用可能允许微生物转位进入子宫环境，可能重新编程胎儿发育并升高神经发育障碍（NDD）风险。建立胎儿肠脑轴（GBA）需要健康的母体微生物组。强大的跨胎盘屏障可阻止大多数病原体通过，但潜在例外包括病毒病原体如巨细胞病毒（CMV）、单纯疱疹病毒（HSV）和寨卡病毒，它们突破屏障。此类感染可导致先天性障碍，进一步影响胎儿发育。因此，肠道病毒组的包容性至关重要，因为它可能影响胎儿健康。
通过将微生物组关联的HAR连锁位点与组织富集调控资源进行计算整合，研究人员优先考虑了在大脑区域表达或富集的候选miRNA、转录因子和序列基序。因此，研究人员将这些miRNA/TF/基序框定为靶向实验后续（如增强子报告实验、类器官或体内代谢物扰动）的候选介质。脑富集miRNA包括miR-9、-124、-125b、-127、-128、-132和-219，它们对神经发育显示空间和时间控制。例如，miR-124在分化细胞中控制神经突生长。根据DifferentialNet组织特异性蛋白-蛋白相互作用和TCSBN基因共表达网络，HARs调节下丘脑，与海马和小脑显著关联。STAT3、MEF2A、CREB1、FOXL1、FOXC1、SREBF1、PPARG和GATA3在下丘脑区域显著关联，指示星形胶质细胞分化、突触调节和神经元分化。Neurexin（逻辑推理的关键参与者）由下丘脑miR-8485调节。miR-615-3p参与胚胎发生，在神经发育期间调节人端粒酶逆转录酶（hTERT）表达，平衡细胞生长和分化，有助于防止肿瘤发生。另一个神经发生的主要区域是海马，显示高水平的miR-124-3p，提供针对氧化应激的保护。海马和下丘脑的神经生长因子信号和轴突引导对认知发育重要。研究人员还检查了HARs关联基序如TGTTTAC，由下丘脑中的miR30调节，影响感觉感知。帕金森病等疾病中的嗅觉缺陷可能源于嗅球向下丘脑投射中特定HAR关联DNA基序的过度代表。
研究还识别了FOXL1和GATTGGY作为HAR关联神经发育的调节因子。前者与ASD相关，后者是调节FOXL1的基序。此外，海马中CTTTGA基序对LEF1的调节对丘脑皮质轴突投射至关重要。相比之下，小脑中的GGGCGGR基序靶向SP1，一种与精神分裂症和成体神经发生相关的主转录因子。由于抑郁、双相情感和智力障碍患者存在下丘脑通路失调，研究发现强调了HARs在神经发育中的重要性。这些HARs与miRNA的关联，从而调控基因，呈现了显著的治疗潜力，以DGIdb中miRNA相关基因-药物相互作用为例。分析突显了几种药物的高相互作用分数，表明它们作为靶向HARs调节通路候选药物的可能性。值得注意的是，涉及细胞信号和神经发育的基因如MAPK10，与已批准药物（如吉非替尼（抗肿瘤药）和西罗莫司（用于黄斑变性））存在相互作用。这些发现为重新利用或优化这些药物以靶向治疗神经发育障碍打开了大门，强调了HAR关联基因和miRNA在关键生物学通路中的调控作用。这开启了研究母胎微生物多样性在此类过程中参与的需求。
**6. 共代谢与协同进化：宿主与微生物的亲密联系**
协同进化是物种间相互影响彼此进化的相互作用，可能是塑造生物多样性和生态系统功能的最基本力量之一。代谢合作意味着宿主提供专门结构以支持其微生物伙伴和共享代谢通路，而共生体贡献影响宿主代谢的代谢物和酶。宿主-微生物共分化表明增强相互适应度的协同进化关系。协同进化在哺乳动物肠道微生物组中明显：平行宿主-细菌物种形成导致了长期功能相互依赖。最大化宿主和共生体适应度的互惠适应驱动协同进化。某些化合物可有益地调节宿主-微生物相互作用。例如，大蒜素通过增加有益细菌（如*Bifidobacterium*和*Lactobacillus*）来增强肠道微生物组组成。将大蒜素修饰的微生物组转移到高脂饮食小鼠中显著降低肥胖、改善葡萄糖稳态并减轻肝脂肪变性，强调了宿主-肠道微生物组相互作用在能量调节中的作用。
