Det menneskelige mikrobiom og genetiske sygdom: På vej mod integration af metagenomiske og multiomiske data

Mikrobiomet anerkendes i stigende grad som at have en grundlæggende rolle i menneskets fysiologi, i sammenhæng med både sundhed og sygdom (Rothschild 2018). Faktisk er sammensætningen af ​​mikrobiotaen en nøglefaktor forbundet med en række menneskelige genetiske sygdomme. For eksempel, i flere neurologiske lidelser, såsom Alzheimers sygdom, Parkinsons sygdom og slagtilfælde, har mikrobiomet vist sig som en vigtig aktør i sygdomsårsag og modulering (Sampson 2020; Sgritta 2019).

Klik for at jade cistanche for Parkinsons sygdom og Alzheimers sygdom

Tilsvarende er mikrobiomet nu anerkendt som at spille en nøglerolle i inflammation, immunresponset og dannelsen af ​​toksiske metabolitter, hvilket bidrager til processen med carcinogenese (Coker 2018; Dejea 2018; Tanoue 2019). Den hurtige udvikling af sekventeringsteknologi og stigninger i undersøgelsesprøvestørrelser har bragt i deres kølvand nye udviklinger såsom mikrobiom-dækkende associationsstudier designet til at karakterisere mikrobiotaen og deres indvirkning på forskellige menneskelige sygdomme (Gilbert 2016; Wang 2018).

Der er gjort forskellige forsøg på at karakterisere indflydelsen af ​​det menneskelige mikrobiom i forskellige væv og på forskellige stadier i sygdomspatogenesen ved at integrere mikrobiomdata, specifikt metagenomiske data, med multiomics-data (Liu 2020; Integrative 2019). Metagenomiske data er ofte blevet integreret med metatranskriptomiske, metaproteomiske og metabolomiske data for at kvantificere mikrobiomoverflod i form af genekspression og protein- og metabolitniveauer (Narayanasamy 2016; Nies 2021; Martinez Arbas 2021).

Integrationen af ​​multi-omics-data har givet ny indsigt i mikrobiomfunktioner ved at øge kompleksiteten af ​​de tilgængelige data, hvilket igen har stimuleret udviklingen af ​​ny bioinformatik og statistiske tilgange. Et tilbagevendende tema i nuværende mikrobiomstudier er anvendelsen af ​​effektive analytiske tilgange til at opdage nye forhold mellem mikrobiomet og menneskelige genetiske sygdomme.

Disse undersøgelser tjener til at forbedre vores forståelse af de mekanismer, hvorved mikrobiomet påvirker menneskelig genetisk sygdom på flere niveauer. Desuden har de muliggjort et skift fra at undersøge sygdomsårsager til at bruge disse data i diagnosticering og design af nye terapeutiske midler.

I dette nummer præsenterer vi fire artikler, der passer til temaet "Det menneskelige mikrobiom og genetisk sygdom", som tilsammen eksemplificerer udforskningen af ​​menneskelig genetisk sygdom gennem tarmmikrobiomstudier og fremhæver nye tilgange såvel som nye fund om sygdomsmekanismer. Tarmmikrobiomet påvirker værtens sundhed ved at fungere som en regulator af værtsveje for sygdomme, der som konsekvens påvirker immunsystemet og energimetabolismen.

Nichols og Davenport (2020) beskriver i deres gennemgang undersøgelser af forholdet mellem mikrobiomet og værtstranskriptomet, som er blevet udført ved hjælp af modelorganismer, ved at indsamle biopsier eller generere organoider. For bedre at forstå forholdet mellem mikrobiomet og værten foreslås enkeltcelle-sekventering og organoide systemer som fremtidige teknologier til at forbinde en vært med mikroberne, der lever i den (Nichols og Davenport 2020).

Der er også akkumuleret beviser for at indikere mikrobiomets roller i tumorgenese (Sanchez-Alcoholado 2020; Bhatt et al. 2017; Helmink et al. 2019). Den anden artikel, af Mima et al., udforsker integrationen af ​​mikrobiologi i den molekylære patologiske epidemiologiske model og giver en forskningsramme til at afdække mikrobiomets roller i at påvirke biologien af ​​både tumorceller og immunceller (Mima 2020).

Tarmmikrobiomet har vist sig at spille en vigtig rolle i inflammatorisk tarmsygdom (IBD), og som Collij et al. viser, har potentialet til at blive både et diagnostisk værktøj og en terapeutisk mulighed i IBD, hvis man sætter en guldstandard for at etablere prøveindsamling til biobanking (Collij et al. 2020).

Endelig er der også en rolle for tarmmikrobiota i at påvirke resultatet af solid organtransplantation. I denne sammenhæng har Qin et al. viser, at ændringen af ​​mikrobiomet kan bidrage til udviklingen af ​​graftfibrose efter pædiatrisk levertransplantation (Qin et al. 2020). Vores behandling af dette specielle emne fremhæver nogle vigtige fremskridt i fortolkningen af ​​menneskelig genetisk sygdom gennem tarmmikrobiomundersøgelser, der lægger vægt på nye tilgange såvel som nye resultater om sygdomsmekanismer.

Detmekanisme for Cistanche-neurobeskyttelseseffekten

Cistanche har vist sig at have neurobeskyttende virkninger gennem flere mekanismer:

1. Anti-inflammatoriske virkninger: Cistanche indeholder forbindelser, der har vist sig at hæmme inflammation i forskellige dele af hjernen, hvilket kan hjælpe med at beskytte neuroner mod skade.

2. Antioxidantvirkninger: Cistanche indeholder forbindelser, der har stærke antioxidantegenskaber. Antioxidanter hjælper med at beskytte neuroner mod skader forårsaget af frie radikaler og oxidativt stress.

3. Regulering af neurotransmittere: Cistanche har vist sig at regulere visse neurotransmittere, såsom serotonin og dopamin, som kan hjælpe med at beskytte neuroner og forbedre kognitiv funktion.

4. Neurotrofisk faktor stimulering: Cistanche har vist sig at stimulere produktionen af ​​neurotrofiske faktorer, såsom hjerneafledt neurotrofisk faktor (BDNF), som kan fremme væksten og overlevelsen af ​​neuroner.

Samlet set arbejder disse mekanismer sammen for at beskytte neuroner mod skader, fremme deres vækst og overlevelse og forbedre kognitiv funktion.

Referencer

Bhatt AP, Redinbo MR, Bultman SJ (2017) Mikrobiomets rolle i kræftudvikling og terapi. CA Cancer J Clin 67:326–344.https://doi.org/10.3322/caac.21398

Coker OO et al (2018) Mucosal mikrobiom dysbiose i gastrisk carcinogenese. Gut 67:1024-1032. https://doi.org/10.1136/ gutjnl-2017-314281

Collij V, Klaassen MAY, Weersma RK, Vila AV (2020) Tarmmikrobiota i inflammatoriske tarmsygdomme: bevægelse fra grundlæggende videnskab til kliniske anvendelser. Hum Genet. https://doi.org/10.1007/ s00439-020-02218-3 de

Nies L et al (2021) PathoFact: en pipeline til forudsigelse af virulensfaktorer og antimikrobielle resistensgener i metagenomiske data. Mikrobiom 9:49. https://doi.org/10.1186/ s40168-020-00993-9

Dejea CM et al (2018) Patienter med familiær adenomatøs polypose har colonbiofilm indeholdende tumorogene bakterier. Science 359:592-597. https://doi.org/10.1126/science.aah3648

Gilbert JA et al (2016) Mikrobiom-dækkende associationsstudier forbinder dynamiske mikrobielle konsortier med sygdom. Nature 535:94–103.https://doi.org/10.1038/nature18850

Helmink BA, Khan MAW, Hermann A, Gopalakrishnan V, Wargo JA (2019) Mikrobiomet, cancer og cancerterapi. Nat Med 25:377-388. https://doi.org/10.1038/s41591-019-0377-7

Integrative HMPRNC (2019) Det integrative menneskelige mikrobiom-projekt. Nature 569:641–648. https://doi.org/10.1038/ s41586-019-1238-8

Liu J et al (2020) Integration af epidemiologiske, farmakologiske, genetiske og tarmmikrobiomdata i et lægemiddelmetabolitatlas. Nat Med 26:110-117. https://doi.org/10.1038/s41591-019-0722-x

Martinez Arbas S et al (2021) Roller af bakteriofager, plasmider og CRISPR-immunitet i mikrobiel samfundsdynamik afsløret ved hjælp af tidsserieintegreret meta-omik. Nat Microbiol 6:123-135. https://doi.org/10.1038/s41564-020-00794-8

Mima K et al (2020) Mikrobiomet, genetik og gastrointestinale neoplasmer: det udviklende felt inden for molekylær patologisk epidemiologi for at analysere tumor-immun-mikrobion-interaktionen. Hum Genet. https://doi.org/10.1007/s00439-020-02235-2

Narayanasamy S et al (2016) IMP: en pipeline til reproducerbare referenceuafhængige integrerede metagenomiske og metatranskriptomiske analyser. Genome Biol 17:260. https://doi.org/10.1186/ s13059-016-1116-8

Nichols RG, Davenport ER (2020) Forholdet mellem tarmmikrobiomet og værtsgenekspression: en gennemgang. Hum Genet.https://doi.org/10.1007/s00439-020-02237-0

Qin T, Fu J, Verkade HJ (2020) Tarmmikrobiomets rolle i graftfibrose efter pædiatrisk levertransplantation. Hum Genet. https:// doi.org/10.1007/s00439-020-02221-8

Rothschild D et al (2018) Miljø dominerer over værtsgenetik i udformningen af ​​den menneskelige tarmmikrobiota. Natur 555:210–215. https://doi. org/10.1038/nature25973

Sampson TR et al (2020) En tarmbakteriel amyloid fremmer alfa-synuclein-aggregering og motorisk svækkelse hos mus. Elife. https://doi. org/10.7554/eLife.53111

Sanchez-Alcoholado L et al (2020) Tarmmikrobiomets rolle i udvikling af kolorektal cancer og terapirespons. Kræft (Basel). https://doi.org/10.3390/cancers12061406

Sgritta M et al (2019) Mekanismer, der ligger til grund for mikrobielt medierede ændringer i social adfærd i musemodeller af autismespektrumforstyrrelse. Neuron 101(246-259):e246. https://doi.org/10.1016/j. neuron.2018.11.018

Tanoue T et al (2019) Et defineret kommensalt konsortium fremkalder CD8 T-celler og anti-cancer immunitet. Natur 565:600–605. https://doi. org/10.1038/s41586-019-0878-z

Wang J et al (2018) Meta-analyse af humant genom-mikrobiom associationsstudier: MiBioGen-konsortiets initiativ. Mikrobiom 6:101. https://doi.org/10.1186/s40168-018-0479-3