Ludzki mikrobiom i choroba genetyczna: w kierunku integracji danych metagenomicznych i multiomicznych

Coraz częściej uznaje się, że mikrobiom odgrywa fundamentalną rolę w fizjologii człowieka, zarówno w kontekście zdrowia, jak i choroby (Rothschild 2018). Rzeczywiście, skład mikroflory jest kluczowym czynnikiem związanym z różnymi ludzkimi chorobami genetycznymi. Na przykład w kilku zaburzeniach neurologicznych, takich jak choroba Alzheimera, choroba Parkinsona i udar, mikrobiom stał się ważnym graczem w przyczynie i modulacji choroby (Sampson 2020; Sgritta 2019).

Kliknij, aby jade cistanche na chorobę Parkinsona i chorobę Alzheimera

Podobnie w przypadku raka, mikrobiom jest obecnie uznawany za odgrywający kluczową rolę w stanach zapalnych, odpowiedzi immunologicznej i wytwarzaniu toksycznych metabolitów, przyczyniając się w ten sposób do procesu karcynogenezy (Coker 2018; Dejea 2018; Tanoue 2019). Szybka ewolucja technologii sekwencjonowania i wzrost wielkości próbek badawczych przyniosły nowe osiągnięcia, takie jak badania asocjacyjne całego mikrobiomu zaprojektowane w celu scharakteryzowania mikrobiomu i jego wpływu na różne choroby ludzkie (Gilbert 2016; Wang 2018).

Podejmowano różne próby scharakteryzowania wpływu ludzkiego mikrobiomu w różnych tkankach i na różnych etapach patogenezy choroby poprzez integrację danych dotyczących mikrobiomu, w szczególności danych metagenomicznych, z danymi multiomicznymi (Liu 2020; Integrative 2019). Dane metagenomiczne były często integrowane z danymi metatranskryptomicznymi, metaproteomicznymi i metabolomicznymi w celu ilościowego określenia obfitości mikrobiomu pod względem ekspresji genów oraz poziomów białka i metabolitów (Narayanasamy 2016; Nies 2021; Martinez Arbas 2021).

Integracja danych multi-omicznych dostarczyła nowych informacji na temat funkcji mikrobiomu poprzez zwiększenie złożoności dostępnych danych, co z kolei pobudziło rozwój nowych metod bioinformatycznych i statystycznych. Powracającym tematem w obecnych badaniach nad mikrobiomem jest zastosowanie skutecznych podejść analitycznych do odkrywania nowych związków między mikrobiomem a ludzkimi chorobami genetycznymi.

Badania te służą lepszemu zrozumieniu mechanizmów, za pomocą których mikrobiom wpływa na choroby genetyczne człowieka na wielu poziomach. Ponadto umożliwiły przejście od badania przyczyny choroby do wykorzystywania tych danych w diagnostyce i projektowaniu nowych terapii.

W tym numerze przedstawiamy cztery artykuły pasujące do tematu „Ludzki mikrobiom i choroby genetyczne”, które razem stanowią przykład eksploracji ludzkich chorób genetycznych poprzez badania mikrobiomu jelitowego i podkreślają nowe podejścia, a także nowatorskie odkrycia dotyczące mechanizmów chorobowych. Mikrobiom jelitowy wpływa na zdrowie gospodarza, działając jako regulator szlaków gospodarza dla chorób, które w konsekwencji wpływają na układ odpornościowy i metabolizm energetyczny.

W swoim przeglądzie Nichols i Davenport (2020) opisują badania związku między mikrobiomem a transkryptomem gospodarza, które zostały przeprowadzone przy użyciu organizmów modelowych, poprzez zbieranie biopsji lub generowanie organoidów. Aby lepiej zrozumieć związek między mikrobiomem a gospodarzem, proponuje się sekwencjonowanie pojedynczych komórek i systemy organoidów jako przyszłe technologie łączące gospodarza z żyjącymi w nim drobnoustrojami (Nichols i Davenport 2020).

Zgromadzono również dowody wskazujące na rolę mikrobiomu w powstawaniu nowotworów (Sanchez-Alcoholado 2020; Bhatt i in. 2017; Helmink i in. 2019). Drugi artykuł, autorstwa Mimy i wsp., bada integrację mikrobiologii z molekularnym patologicznym modelem epidemiologicznym i zapewnia ramy badawcze do odkrywania roli mikrobiomu w wpływaniu na biologię zarówno komórek nowotworowych, jak i komórek odpornościowych (Mima 2020).

Stwierdzono, że mikrobiom jelitowy odgrywa ważną rolę w nieswoistym zapaleniu jelit (IBD). pokazują, może stać się zarówno narzędziem diagnostycznym, jak i opcją terapeutyczną w IBD, jeśli ustanowi złoty standard pobierania próbek do biobankowania (Collij i in. 2020).

Wreszcie, istnieje również rola mikroflory jelitowej w wpływaniu na wynik przeszczepu narządu miąższowego. W tym kontekście Qin i in. pokazują, że zmiana mikrobiomu może przyczynić się do rozwoju zwłóknienia przeszczepu po przeszczepie wątroby u dzieci (Qin i wsp. 2020). Nasze podejście do tego szczególnego tematu podkreśla niektóre kluczowe postępy poczynione w interpretacji ludzkich chorób genetycznych poprzez badania mikrobiomu jelitowego, podkreślając nowe podejścia, a także nowe odkrycia dotyczące mechanizmów chorobowych.

Themechanizm działania neuroprotekcyjnego Cistanche

Wykazano, że Cistanche ma działanie neuroprotekcyjne poprzez kilka mechanizmów:

1. Działanie przeciwzapalne: Cistanche zawiera związki, które, jak wykazano, hamują stany zapalne w różnych częściach mózgu, co może pomóc w ochronie neuronów przed uszkodzeniem.

2. Działanie antyoksydacyjne: Cistanche zawiera związki o silnych właściwościach przeciwutleniających. Przeciwutleniacze pomagają chronić neurony przed uszkodzeniami powodowanymi przez wolne rodniki i stres oksydacyjny.

3. Regulacja neuroprzekaźników: Wykazano, że Cistanche reguluje niektóre neuroprzekaźniki, takie jak serotonina i dopamina, które mogą pomóc chronić neurony i poprawić funkcje poznawcze.

4. Stymulacja czynnika neurotroficznego: Wykazano, że Cistanche stymuluje produkcję czynników neurotroficznych, takich jak czynnik neurotroficzny pochodzenia mózgowego (BDNF), który może promować wzrost i przeżycie neuronów.

Ogólnie rzecz biorąc, mechanizmy te współpracują ze sobą, aby chronić neurony przed uszkodzeniem, promować ich wzrost i przeżycie oraz poprawiać funkcje poznawcze.

Bibliografia

Bhatt AP, Redinbo MR, Bultman SJ (2017) Rola mikrobiomu w rozwoju i terapii raka. CA Cancer J Clin 67:326–344.https://doi.org/10.3322/caac.21398

Coker OO i wsp. (2018) Dysbioza mikrobiomu błony śluzowej w raku żołądka. Jelita 67: 1024–1032. https://doi.org/10.1136/gutjnl-2017-314281

Collij V, Klaassen MAY, Weersma RK, Vila AV (2020) Mikroflora jelitowa w chorobach zapalnych jelit: przejście od nauki podstawowej do zastosowań klinicznych. Hum Genet. https://doi.org/10.1007/s00439-020-02218-3 de

Nies L i in. (2021) PathoFact: rurociąg do przewidywania czynników wirulencji i genów oporności na środki przeciwdrobnoustrojowe w danych metagenomicznych. Mikrobiom 9:49. https://doi.org/10.1186/s40168-020-00993-9

Dejea CM i wsp. (2018) Pacjenci z rodzinną polipowatością gruczolakowatą mają biofilm okrężnicy zawierający bakterie rakotwórcze. Nauka 359: 592–597. https://doi.org/10.1126/science.aah3648

Gilbert JA i wsp. (2016) Badania asocjacyjne całego mikrobiomu łączą dynamiczne konsorcja drobnoustrojów z chorobą. Natura 535:94–103.https://doi.org/10.1038/nature18850

Helmink BA, Khan MAW, Hermann A, Gopalakrishnan V, Wargo JA (2019) Mikrobiom, rak i terapia przeciwnowotworowa. Nat Med 25:377–388. https://doi.org/10.1038/s41591-019-0377-7

Integrative HMPRNC (2019) Integracyjny projekt ludzkiego mikrobiomu. Natura 569: 641–648. https://doi.org/10.1038/s41586-019-1238-8

Liu J i in. (2020) Integracja danych epidemiologicznych, farmakologicznych, genetycznych i dotyczących mikrobiomu jelitowego w atlasie metabolitów leków. Nat Med 26:110-117. https://doi.org/10.1038/s41591-019-0722-x

Martinez Arbas S i in. (2021) Role bakteriofagów, plazmidów i odporności na CRISPR w dynamice społeczności drobnoustrojów ujawniono przy użyciu zintegrowanej metaomiki szeregów czasowych. Nat Microbiol 6:123–135. https://doi.org/10.1038/s41564-020-00794-8

Mima K i wsp. (2020) Mikrobiom, genetyka i nowotwory przewodu pokarmowego: rozwijająca się dziedzina epidemiologii patologii molekularnej w celu analizy interakcji guz-immunologia-mikrobiom. Hum Genet. https://doi.org/10.1007/s00439-020-02235-2

Narayanasamy S i in. (2016) IMP: rurociąg do powtarzalnych, niezależnych od referencji, zintegrowanych analiz metagenomicznych i metatranskryptomicznych. Genom Biol 17:260. https://doi.org/10.1186/s13059-016-1116-8

Nichols RG, Davenport ER (2020) Związek między mikrobiomem jelitowym a ekspresją genów gospodarza: przegląd. Hum Genet.https://doi.org/10.1007/s00439-020-02237-0

Qin T, Fu J, Verkade HJ (2020) Rola mikrobiomu jelitowego w zwłóknieniu przeszczepu po przeszczepie wątroby u dzieci. Hum Genet. https://doi.org/10.1007/s00439-020-02221-8

Rothschild D i in. (2018) Środowisko dominuje nad genetyką gospodarza w kształtowaniu ludzkiej mikroflory jelitowej. Natura 555: 210–215. https://doi. org/10.1038/natura25973

Sampson TR i wsp. (2020) Amyloid bakteryjny jelita sprzyja agregacji alfa-synukleiny i upośledzeniu motoryki u myszy. elife. https://doi. org/10.7554/eLife.53111

Sanchez-Alcoholado L i in. (2020) Rola mikrobiomu jelitowego w rozwoju raka jelita grubego i odpowiedzi na terapię. Nowotwory (Bazylea). https://doi.org/10.3390/cancers12061406

Sgritta M i in. (2019) Mechanizmy leżące u podstaw wywołanych przez drobnoustroje zmian w zachowaniach społecznych w mysich modelach zaburzeń ze spektrum autyzmu. Neuron 101(246–259):e246. https://doi.org/10.1016/j. neuron.2018.11.018

Tanoue T i in. (2019) Zdefiniowane konsorcjum komensalne wywołuje limfocyty T CD8 i odporność przeciwnowotworową. Natura 565: 600–605. https://doi. org/10.1038/s41586-019-0878-z

Wang J i in. (2018) Metaanaliza badań asocjacji ludzkiego genomu i mikrobiomu: inicjatywa konsorcjum MiBioGen. Mikrobiom 6:101. https://doi.org/10.1186/s40168-018-0479-3