与自闭症相关的肠道菌群生物标志物及其应用制造技术

本发明专利技术涉及微生物组学和医学分子生物学技术领域，具体涉及与自闭症相关的肠道菌群生物标志物及其应用。本发明专利技术首次发现肠道菌群可以辅助肠道毒物的降解，减少线粒体因毒物积累带来的损伤以及由此诱发的ASD的发生。本发明专利技术提供的与ASD相关的肠道菌群生物标志物包括5条代谢通路，涉及31种酶类，利用该生物标志物进行ASD的诊断和患病风险评估具有较高的准确性、敏感性和特异性，且样本采集便捷、不会造成机体损伤、检测方便快速、可进行定期检测，及早发现肠道毒物降解能力的变化，辅助ASD的早期诊断和筛查，为指导治疗及康复方案的及时调整提供依据。

Biomarkers of intestinal flora related to autism and their application

【技术实现步骤摘要】
与自闭症相关的肠道菌群生物标志物及其应用
本专利技术涉及微生物组学和医学分子生物学
，具体涉及与自闭症相关的肠道菌群生物标志物及其应用。
技术介绍
自闭症谱系障碍(AutismSpectrumDisorder，ASD，以下简称自闭症)是一种复杂的神经发育障碍，以社交障碍、行为重复刻板、兴趣狭窄等为特征。近年来，在全球范围内ASD的发病率不断上升。ASD的病因尚未明确，与遗传、环境、免疫等因素相关。目前对于ASD的诊断只能通过行为量表进行，尚无明确的生理诊断指标。目前众多研究发现，母亲产前和孩子婴儿期早期接触有机磷、有机氯、拟除虫菊酯和氨基甲酸酯等毒素(农药)会影响孩子神经系统发育，增加ASD患病几率。线粒体作为细胞中能量产生和毒物降解的重要结构，对于器官发育、机体免疫平衡有重要意义。研究证实，线粒体功能障碍是ASD患者主要生理障碍之一。受损线粒体释放mtDNA及损伤相关分子信号，引发机体炎症反应。在ASD和其他许多精神疾病患者中，都发现存在伴随炎症因子、趋化因子升高的全身系统性炎症。大脑中小胶质细胞介导的炎症和线粒体损伤能够损伤神经胶质细胞和大脑发育的功能，引发ASD。线粒体障碍源自自身遗传缺陷或外来毒素摄入，相比于正常人群，ASD患者的线粒体更易受损伤，原因尚不清晰。此外，越来越多的研究发现自闭症患者常伴随不同程度的肠胃症状以及肠道菌群失调。肠道微生物在ASD的发病过程中扮演重要角色，但作用机制尚未完全明确。目前，尚未见将肠道菌群及其代谢通路用于肠道毒物降解能力和自闭症评估方面的相关报道。传统的ASD诊断仅通过行为量表进行(CARS、DSM-5、ABC、ADI-R、ADOS等)，该方法基于观察和问卷评分综合判定，与生理学改变相比，比较滞后，只能在神经发育受损、出现发育障碍及行为特征之后做出判断。因此，亟需开发与ASD相关的生物标志物，为ASD的早期、高效的诊断提供基础。
技术实现思路
为解决现有技术中的技术问题，本专利技术的目的在于提供与自闭症相关的肠道菌群生物标志物以及该生物标志物的检测试剂及其应用。本专利技术通过对大量ASD患者的粪便样本进行宏基因组shotgun测序分析发现，与正常样本相比，ASD患者的肠道菌群中涉及甲基膦酸酯(Methylphosphonate)、3-苯基丙酸酯(3-phenylpropanoate)、3-(3-羟苯基)丙酸甲酯(3-(3-hydroxyphenyl)-propanoate)、丙酮醛、卤代烃、对氨基苯甲酸、苯甲酰胺、苯乙烯、萘、二甲苯和苯甲酸等多种毒物降解的代谢通路及其相关代谢酶以及谷胱甘肽及L-谷氨酰胺合成的代谢通路及其相关代谢酶均存在显著的丰度差异，这些丰度差异使得肠道毒物降解能力下降，进而导致线粒体损伤，诱发ASD的发生。即肠道菌群携带这些毒物降解代谢通路及其相关酶类，能够减轻毒物蓄积对宿主线粒体的损伤，相反，若肠道菌群较少携带这些毒物降解代谢通路及其相关酶类，则会加重毒物蓄积对宿主线粒体的损伤，进而诱发ASD。基于此，本专利技术通过筛选获得与ASD发生相关的生物标志物组合，利用该生物标志物组合构建了用于诊断ASD的随机森林分类模型，对于ASD的辅助诊断具有较好的作用。具体地，本专利技术的技术方案如下：第一方面，本专利技术提供与自闭症相关的肠道菌群生物标志物，其包括生物分子或代谢通路；所述生物分子为蛋白质或其编码核酸；所述代谢通路包括如下代谢通路中的一种或多种：PWY-4041:谷胱甘肽合成；PWY-5505:谷氨酸和谷氨酰胺合成；METHGLYUT-PWY:丙酮醛降解；PWY0-1277:3-苯基丙酸酯和3-(3-羟苯基)丙酸甲酯降解；PWY0-1533:甲基膦酸酯降解I；所述蛋白质包括所述代谢通路的相关酶或调控蛋白中的一种或多种。上述PWY-4041、PWY-5505、METHGLYUT-PWY、PWY0-1277和PWY0-1533均为MetaCYC数据库中对应的代谢途径编号。具体地，所述蛋白质包括所述蛋白质包括选自丙酮醛还原酶、甘油脱氢酶、L-乳酸盐脱氢酶、乳醛脱氢酶、羟酰基谷胱甘肽水解酶、乙二醛酶I、3-(3-羟苯基)丙酸酯羟化酶、3-苯基丙酸酯双加氧酶、2,3-二羟基-2,3-二氢苯基丙酸酯脱氢酶、3-羧乙基邻苯二酚2,3-双加氧酶、2-羟基-6-氧壬-2,4-二烯二酸酯水解酶、2-氧戊四烯酸酯水合酶、乙醛脱氢酶、半胱氨酸连接酶、谷胱甘肽合酶、γ-谷氨酰转移酶、半胱氨酰糖苷酶、膦酸甲酯降解复合物、α-D-核糖1-甲基膦酸酯5-三磷酸二磷酸酶、α-D-核糖1-甲基膦酸酯5-磷酸C-P-裂解酶、磷酸核糖基1,2-环磷酸二酯酶、谷氨酰氨合成酶、谷氨酸盐脱氢酶、酰基磷酸酶/乙酰磷酸酶、4-羟基苯甲酸酯脱羧酶、酰胺酶/酰基酰胺酶/酰基转移酶、3-氧己二酸辅酶A转移酶、苯甲酸酯1,2-双加氧酶/苯甲酸羟化酶、乙醇脱氢酶/醛还原酶、苯乙醛脱氢酶和芳基醇脱氢酶中的一种或多种。上述蛋白质所对应的EC编号以及代谢通路(MetaCYC数据库编号)和功能如表1所示。表1生物标志物对应的EC编号和代谢通路或功能上述生物标志物的组合能够在保证较少的检测靶标的同时，更加特异、准确地预测ASD的发生，更适于在实践中用于ASD的辅助诊断。上述生物标志物中，还原型谷胱甘肽(GSH)合成途径(PWY-4041)基因丰度以及L-谷氨酰胺合成途径(PWY-5505)基因丰度在ASD患者中显著下降。还原型谷胱甘肽(GSH)是人体主要的抗氧化剂之一，也是许多解毒酶的关键辅助因子，在降解有机毒物和排出重金属方面起着关键作用，有助于维持线粒体的功能。作为谷胱甘肽的前体，L-谷氨酰胺不仅参与了有机毒素的降解，还能维持肠道屏障的完整性，并能阻止LPS等有机毒物进入循环系统。上述生物标志物中，与甲基膦酸酯、3-苯基丙酸酯和3-(3-羟苯基)丙酸甲酯、丙酮醛、卤代烃、对氨基苯甲酸、苯甲酰胺、苯乙烯、萘、二甲苯和苯甲酸等毒物的降解相关的酶及其编码基因的丰度也在ASD患者中显著下降。本专利技术利用由表1中所示的31种毒物代谢相关酶组成的生物标志物组合，构建了用于辅助诊断ASD的随机森林分类模型，其AUC值可达0.88，证明本专利技术所述的生物标志物可较为准确地预测ASD的发生。第二方面，本专利技术提供所述生物标志物的检测试剂。具体地，所述检测试剂包括用于所述生物标志物的丰度检测的引物或探针。所述检测试剂还可包括用于宏基因组测序分析所需的试剂。第三方面，本专利技术提供所述生物标志物或所述生物标志物的检测试剂在制备用于辅助诊断自闭症或评价自闭症患病风险的试剂、试剂盒或系统中的应用。第四方面，本专利技术提供所述生物标志物或所述生物标志物的检测试剂在制备用于评价肠道毒物降解能力的试剂、试剂盒或系统中的应用。第五方面，本专利技术提供所述生物标志物或所述生物标志物的检测试剂在制备用于自闭症患者指导用药或评价自闭症患者预后的试剂、试剂盒或系统中的应用。具体地，上述应用中，通过检测所述生物标志物在待测样本中本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.与自闭症相关的肠道菌群生物标志物，其特征在于，其包括生物分子或代谢通路；所述生物分子为蛋白质或其编码核酸；所述代谢通路包括如下代谢通路中的一种或多种：PWY-4041:谷胱甘肽合成；PWY-5505:谷氨酸和谷氨酰胺合成；METHGLYUT-PWY:丙酮醛降解；PWY0-1277:3-苯基丙酸酯和3-(3-羟苯基)丙酸甲酯降解；PWY0-1533:甲基膦酸酯降解I；/n所述蛋白质包括所述代谢通路的相关酶或调控蛋白中的一种或多种。/n

【技术特征摘要】
1.与自闭症相关的肠道菌群生物标志物，其特征在于，其包括生物分子或代谢通路；所述生物分子为蛋白质或其编码核酸；所述代谢通路包括如下代谢通路中的一种或多种：PWY-4041:谷胱甘肽合成；PWY-5505:谷氨酸和谷氨酰胺合成；METHGLYUT-PWY:丙酮醛降解；PWY0-1277:3-苯基丙酸酯和3-(3-羟苯基)丙酸甲酯降解；PWY0-1533:甲基膦酸酯降解I；
所述蛋白质包括所述代谢通路的相关酶或调控蛋白中的一种或多种。


2.根据权利要求1所述的生物标志物，其特征在于，所述蛋白质包括选自丙酮醛还原酶、甘油脱氢酶、L-乳酸盐脱氢酶、乳醛脱氢酶、羟酰基谷胱甘肽水解酶、乙二醛酶I、3-(3-羟苯基)丙酸酯羟化酶、3-苯基丙酸酯双加氧酶、2,3-二羟基-2,3-二氢苯基丙酸酯脱氢酶、3-羧乙基邻苯二酚2,3-双加氧酶、2-羟基-6-氧壬-2,4-二烯二酸酯水解酶、2-氧戊四烯酸酯水合酶、乙醛脱氢酶、半胱氨酸连接酶、谷胱甘肽合酶、γ-谷氨酰转移酶、半胱氨酰糖苷酶、膦酸甲酯降解复合物、α-D-核糖1-甲基膦酸酯5-三磷酸二磷酸酶、α-D-核糖1-甲基膦酸酯5-磷酸C-P-裂解酶、磷酸核糖基1,2-环磷酸二酯酶、谷氨酰氨合成酶、谷氨酸盐脱氢酶、酰基磷酸酶/乙酰磷酸酶、4-羟基苯甲酸酯脱羧酶、酰胺酶/酰基酰胺酶/酰基转移酶、3-氧己二酸辅酶A转移酶、苯甲酸酯1,2-双加氧酶/苯甲酸羟化酶、乙醇脱氢酶/醛还原酶、苯乙醛脱氢酶和芳基醇脱氢酶中的一种或多种。


3.权利要求1或2所述生物标志物的检测试剂；优选地，所述检测试剂包括用于所述生物标...

【专利技术属性】
技术研发人员：楚亚男，康禹，孟庆仁，石兴，于军，邵长君，王建，陈婧，
申请(专利权)人：中国科学院北京基因组研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11