Človeški mikrobiom in genetska bolezen: k integraciji metagenomskih in multi‑omičnih podatkov

Mikrobiom se vse bolj priznava kot temeljno vlogo v človeški fiziologiji, tako v kontekstu zdravja kot bolezni (Rothschild 2018). Dejansko je sestava mikrobiote ključni dejavnik, povezan z različnimi človeškimi genetskimi boleznimi. Na primer, pri številnih nevroloških motnjah, kot so Alzheimerjeva bolezen, Parkinsonova bolezen in možganska kap, se je mikrobiom izkazal kot pomemben akter pri vzročnosti in modulaciji bolezni (Sampson 2020; Sgritta 2019).

Kliknite za jade cistanche za Parkinsonovo bolezen in Alzheimerjevo bolezen

Podobno je pri raku danes priznano, da ima mikrobiom ključno vlogo pri vnetju, imunskem odzivu in nastajanju toksičnih metabolitov, s čimer prispeva k procesu karcinogeneze (Coker 2018; Dejea 2018; Tanoue 2019). Hiter razvoj tehnologije zaporedja in povečanje velikosti vzorcev študije sta prinesla nove razvojne dosežke, kot so študije asociacij na celotnem mikrobiomu, namenjene opredelitvi mikrobiote in njihovega vpliva na različne človeške bolezni (Gilbert 2016; Wang 2018).

Opravljeni so bili različni poskusi, da bi opredelili vpliv človeškega mikrobioma v različnih tkivih in na različnih stopnjah patogeneze bolezni z integracijo podatkov o mikrobiomu, zlasti metagenomskih podatkov, s podatki o multiomiki (Liu 2020; Integrative 2019). Metagenomski podatki so bili pogosto združeni z metatranskriptomskimi, metaproteomskimi in metabolomskimi podatki, da bi kvantificirali številčnost mikrobioma v smislu izražanja genov ter ravni beljakovin in metabolitov (Narayanasamy 2016; Nies 2021; Martinez Arbas 2021).

Integracija podatkov multiomike je zagotovila nov vpogled v funkcije mikrobioma s povečanjem kompleksnosti razpoložljivih podatkov, kar je posledično spodbudilo razvoj nove bioinformatike in statističnih pristopov. Ponavljajoča se tema v trenutnih študijah mikrobioma je uporaba učinkovitih analitičnih pristopov za odkrivanje novih odnosov med mikrobiomom in človeškimi genetskimi boleznimi.

Te študije služijo izboljšanju našega razumevanja mehanizmov, s katerimi mikrobiom vpliva na človeške genetske bolezni na več ravneh. Poleg tega so omogočili premik od raziskovanja vzroka bolezni k uporabi teh podatkov pri diagnozi in načrtovanju novih terapevtikov.

V tej številki predstavljamo štiri članke, ki ustrezajo temi "Človeški mikrobiom in genetska bolezen", ki skupaj ponazarjajo raziskovanje človeških genetskih bolezni s študijami črevesnih mikrobiomov ter poudarjajo nove pristope in nove ugotovitve o mehanizmih bolezni. Črevesni mikrobiom vpliva na zdravje gostitelja tako, da deluje kot regulator gostiteljskih poti za bolezni, ki posledično vplivajo na imunski sistem in presnovo energije.

Nichols in Davenport (2020) v svojem pregledu opisujeta študije razmerja med mikrobiomom in transkriptomom gostitelja, ki so bile izvedene z uporabo modelnih organizmov, z zbiranjem biopsij ali generiranjem organoidov. Da bi bolje razumeli odnos med mikrobiomom in gostiteljem, so enocelično sekvenciranje in organoidni sistemi predlagani kot prihodnje tehnologije za povezovanje gostitelja z mikrobi, ki živijo v njem (Nichols in Davenport 2020).

Zbrali so se tudi dokazi, ki kažejo na vlogo mikrobioma pri tumorigenezi (Sanchez-Alcoholado 2020; Bhatt et al. 2017; Helmink et al. 2019). Drugi članek Mime et al. raziskuje integracijo mikrobiologije v model molekularne patološke epidemiologije in zagotavlja raziskovalni okvir za odkrivanje vloge mikrobioma pri vplivanju na biologijo tumorskih celic in imunskih celic (Mima 2020).

Ugotovljeno je bilo, da ima črevesni mikrobiom pomembno vlogo pri vnetni črevesni bolezni (KVČB) in kot Collij et al. kažejo, lahko postane diagnostično orodje in terapevtska možnost pri KVČB, če postavi zlati standard za vzpostavitev zbiranja vzorcev za biobanke (Collij et al. 2020).

Končno obstaja tudi vloga črevesne mikrobiote pri vplivanju na izid presaditve trdnih organov. V tem kontekstu Qin et al. kažejo, da lahko sprememba mikrobioma prispeva k razvoju fibroze presadka po pediatrični presaditvi jeter (Qin et al. 2020). Naša obravnava te posebne teme poudarja nekaj ključnih napredkov pri razlagi človeških genetskih bolezni s študijami črevesnih mikrobiomov, s poudarkom na novih pristopih in novih ugotovitvah o mehanizmih bolezni.

Themehanizem nevroprotektivnega učinka Cistanche

Dokazano je, da ima Cistanche nevroprotektivne učinke prek več mehanizmov:

1. Protivnetni učinki: Cistanche vsebuje spojine, za katere je bilo dokazano, da zavirajo vnetja v različnih delih možganov, kar lahko pomaga zaščititi nevrone pred poškodbami.

2. Antioksidativni učinki: Cistanche vsebuje spojine, ki imajo močne antioksidativne lastnosti. Antioksidanti pomagajo zaščititi nevrone pred poškodbami, ki jih povzročajo prosti radikali in oksidativni stres.

3. Regulacija nevrotransmiterjev: dokazano je, da Cistanche uravnava nekatere nevrotransmiterje, kot sta serotonin in dopamin, ki lahko pomagajo zaščititi nevrone in izboljšajo kognitivno funkcijo.

4. Stimulacija nevrotrofnega faktorja: dokazano je, da Cistanche spodbuja nastajanje nevrotrofičnih faktorjev, kot je možganski nevrotrofični faktor (BDNF), ki lahko spodbuja rast in preživetje nevronov.

Na splošno ti mehanizmi delujejo skupaj, da zaščitijo nevrone pred poškodbami, spodbujajo njihovo rast in preživetje ter izboljšajo kognitivno funkcijo.

Reference

Bhatt AP, Redinbo MR, Bultman SJ (2017) Vloga mikrobioma pri razvoju in zdravljenju raka. CA Cancer J Clin 67:326–344.https://doi.org/10.3322/caac.21398

Coker OO et al (2018) Disbioza mikrobioma sluznice pri karcinogenezi želodca. Gut 67:1024–1032. https://doi.org/10.1136/ gutjnl-2017-314281

Collij V, Klaassen MAY, Weersma RK, Vila AV (2020) Črevesna mikrobiota pri vnetnih črevesnih boleznih: prehod od osnovne znanosti k kliničnim aplikacijam. Hum Genet. https://doi.org/10.1007/ s00439-020-02218-3 de

Nies L et al (2021) PathoFact: cevovod za napoved faktorjev virulence in genov za protimikrobno odpornost v metagenomskih podatkih. Mikrobiom 9:49. https://doi.org/10.1186/ s40168-020-00993-9

Dejea CM et al (2018) Bolniki z družinsko adenomatozno polipozo skrivajo biofilm debelega črevesa, ki vsebuje tumorogene bakterije. Znanost 359: 592–597. https://doi.org/10.1126/science.aah3648

Gilbert JA et al (2016) Študije asociacij na celotnem mikrobiomu povezujejo dinamične mikrobne konzorcije z boleznijo. Narava 535:94–103.https://doi.org/10.1038/nature18850

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

Integrative HMPRNC (2019) Projekt integrativnega človeškega mikrobioma. Narava 569: 641–648. https://doi.org/10.1038/ s41586-019-1238-8

Liu J et al (2020) Integracija epidemioloških, farmakoloških, genetskih podatkov in podatkov o črevesnem mikrobiomu v atlas presnovkov zdravil. Nat Med 26: 110–117. https://doi.org/10.1038/s41591-019-0722-x

Martinez Arbas S et al (2021) Vloge bakteriofagov, plazmidov in imunosti CRISPR v dinamiki mikrobne skupnosti, razkrite z uporabo integrirane metaomike časovnih vrst. Nat Microbiol 6:123–135. https://doi.org/10.1038/s41564-020-00794-8

Mima K et al (2020) Mikrobiom, genetika in gastrointestinalne neoplazme: razvijajoče se področje molekularne patološke epidemiologije za analizo interakcije tumor-imuno-mikrobiom. Hum Genet. https://doi.org/10.1007/s00439-020-02235-2

Narayanasamy S et al (2016) IMP: cevovod za ponovljive, od reference neodvisne integrirane metagenomske in metatranskriptomske analize. Genome Biol 17:260. https://doi.org/10.1186/ s13059-016-1116-8

Nichols RG, Davenport ER (2020) Razmerje med črevesnim mikrobiomom in izražanjem gostiteljskega gena: pregled. Hum Genet.https://doi.org/10.1007/s00439-020-02237-0

Qin T, Fu J, Verkade HJ (2020) Vloga črevesnega mikrobioma pri fibrozi presadka po pediatrični presaditvi jeter. Hum Genet. https:// doi.org/10.1007/s00439-020-02221-8

Rothschild D et al (2018) Okolje prevladuje nad genetiko gostitelja pri oblikovanju črevesne mikrobiote človeka. Narava 555: 210–215. https://doi. org/10.1038/nature25973

Sampson TR et al (2020) Amiloid črevesne bakterije spodbuja agregacijo alfa-sinukleina in motorično okvaro pri miših. Elife. https://doi. org/10.7554/eLife.53111

Sanchez-Alcoholado L et al (2020) Vloga črevesnega mikrobioma pri razvoju kolorektalnega raka in odzivu na terapijo. Raki (Basel). https://doi.org/10.3390/cancers12061406

Sgritta M et al (2019) Mehanizmi, na katerih temeljijo mikrobno posredovane spremembe v družbenem vedenju pri mišjih modelih motnje avtističnega spektra. Nevron 101(246–259):e246. https://doi.org/10.1016/j. nevron.2018.11.018

Tanoue T et al (2019) Definiran komenzalni konzorcij izzove celice CD8 T in imunost proti raku. Narava 565: 600–605. https://doi. org/10.1038/s41586-019-0878-z

Wang J et al (2018) Meta-analiza študij povezav človeškega genoma in mikrobioma: pobuda konzorcija MiBioGen. Mikrobiom 6:101. https://doi.org/10.1186/s40168-018-0479-3