Det menneskelige mikrobiomet og den genetiske sykdommen: Mot integrasjonen av metagenomiske og multiomiske data

Mikrobiomet blir i økende grad anerkjent som å ha en grunnleggende rolle i menneskets fysiologi, i sammenheng med både helse og sykdom (Rothschild 2018). Faktisk er sammensetningen av mikrobiota en nøkkelfaktor forbundet med en rekke humane genetiske sykdommer. For eksempel, i flere nevrologiske lidelser, som Alzheimers sykdom, Parkinsons sykdom og hjerneslag, har mikrobiomet dukket opp som en viktig aktør i sykdomsårsak og modulering (Sampson 2020; Sgritta 2019).

Klikk for å jade cistanche for Parkinsons sykdom og Alzheimers sykdom

På samme måte, i kreft, er mikrobiomet nå anerkjent som å spille nøkkelroller i betennelse, immunrespons og generering av giftige metabolitter, og dermed bidra til prosessen med karsinogenese (Coker 2018; Dejea 2018; Tanoue 2019). Den raske utviklingen av sekvenseringsteknologi og økningen i studieprøvestørrelser har brakt i kjølvannet av nye utviklinger som mikrobiomomfattende assosiasjonsstudier designet for å karakterisere mikrobiotaen og deres innvirkning på forskjellige menneskelige sykdommer (Gilbert 2016; Wang 2018).

Ulike forsøk er gjort for å karakterisere påvirkningen av det menneskelige mikrobiomet i forskjellige vev og på forskjellige stadier i sykdomspatogenesen ved å integrere mikrobiomdata, spesifikt metagenomiske data, med multiomics-data (Liu 2020; Integrative 2019). Metagenomiske data har ofte blitt integrert med metatranskriptomiske, metaproteomiske og metabolomiske data for å kvantifisere mikrobiomoverflod når det gjelder genuttrykk og protein- og metabolittnivåer (Narayanasamy 2016; Nies 2021; Martinez Arbas 2021).

Integreringen av multi-omics-data har gitt ny innsikt i mikrobiomfunksjoner ved å øke kompleksiteten til tilgjengelige data, noe som igjen har stimulert utviklingen av ny bioinformatikk og statistiske tilnærminger. Et tilbakevendende tema i nåværende mikrobiomstudier er bruken av effektive analytiske tilnærminger for å oppdage nye forhold mellom mikrobiomet og menneskelige genetiske sykdommer.

Disse studiene tjener til å forbedre vår forståelse av mekanismene som mikrobiomet påvirker menneskelig genetisk sykdom på flere nivåer. Videre har de muliggjort et skifte fra å undersøke sykdomsårsak til å bruke disse dataene i diagnose og utforming av nye terapier.

I denne utgaven presenterer vi fire artikler som passer til temaet "Det menneskelige mikrobiomet og genetisk sykdom", som sammen eksemplifiserer utforskningen av menneskelig genetisk sykdom gjennom studier av tarmmikrobiom, og fremhever nye tilnærminger så vel som nye funn om sykdomsmekanismer. Tarmmikrobiomet påvirker vertshelsen ved å fungere som en regulator av vertsveier for sykdommer som følgelig påvirker immunforsvaret og energimetabolismen.

Nichols og Davenport (2020) beskriver i sin anmeldelse studier av forholdet mellom mikrobiomet og vertstranskriptomet som er utført ved bruk av modellorganismer, ved å samle biopsier eller generere organoider. For bedre å forstå forholdet mellom mikrobiomet og verten, foreslås enkeltcellesekvensering og organoide systemer som fremtidige teknologier for å koble en vert med mikrobene som lever i den (Nichols og Davenport 2020).

Det har også samlet seg bevis for å indikere rollene til mikrobiomet i tumorgenese (Sanchez-Alcoholado 2020; Bhatt et al. 2017; Helmink et al. 2019). Den andre artikkelen, av Mima et al., utforsker integreringen av mikrobiologi i den molekylærpatologiske epidemiologiske modellen og gir et forskningsrammeverk for å avdekke rollene til mikrobiomet i å påvirke biologien til både tumorceller og immunceller (Mima 2020).

Tarmmikrobiomet har vist seg å spille viktige roller i inflammatorisk tarmsykdom (IBD), og som Collij et al. viser, har potensiale til å bli både et diagnostisk verktøy og et terapeutisk alternativ ved IBD dersom man setter en gullstandard for å etablere prøveinnsamling for biobanking (Collij et al. 2020).

Til slutt er det også en rolle for tarmmikrobiota i å påvirke utfallet av solid organtransplantasjon. I denne sammenheng har Qin et al. viser at endringen av mikrobiomet kan bidra til utvikling av graftfibrose etter pediatrisk levertransplantasjon (Qin et al. 2020). Vår behandling av dette spesielle emnet fremhever noen viktige fremskritt gjort i tolkningen av menneskelig genetisk sykdom gjennom studier av tarmmikrobiom, med vekt på nye tilnærminger samt nye funn om sykdomsmekanismer.

Demekanismen for Cistanche-nevrobeskyttelseseffekten

Cistanche har vist seg å ha nevrobeskyttende effekter gjennom flere mekanismer:

1. Antiinflammatoriske effekter: Cistanche inneholder forbindelser som har vist seg å hemme betennelse i ulike deler av hjernen, noe som kan bidra til å beskytte nevronene mot skade.

2. Antioksidanteffekter: Cistanche inneholder forbindelser som har sterke antioksidantegenskaper. Antioksidanter bidrar til å beskytte nevroner mot skade forårsaket av frie radikaler og oksidativt stress.

3. Regulering av nevrotransmittere: Cistanche har vist seg å regulere visse nevrotransmittere, som serotonin og dopamin, som kan bidra til å beskytte nevroner og forbedre kognitiv funksjon.

4. Neurotrofisk faktorstimulering: Cistanche har vist seg å stimulere produksjonen av nevrotrofiske faktorer, slik som hjerneavledet nevrotrofisk faktor (BDNF), som kan fremme vekst og overlevelse av nevroner.

Samlet sett jobber disse mekanismene sammen for å beskytte nevroner mot skade, fremme deres vekst og overlevelse og forbedre kognitiv funksjon.

Referanser

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

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

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

Nies L et al (2021) PathoFact: en rørledning for prediksjon av virulensfaktorer og antimikrobielle resistensgener i metagenomiske data. Mikrobiom 9:49. https://doi.org/10.1186/ s40168-020-00993-9

Dejea CM et al (2018) Pasienter med familiær adenomatøs polypose har kolonbiofilm som inneholder tumorigene bakterier. Science 359:592–597. https://doi.org/10.1126/science.aah3648

Gilbert JA et al (2016) Mikrobiom-omfattende assosiasjonsstudier kobler dynamiske mikrobielle konsortier til sykdom. Nature 535:94–103.https://doi.org/10.1038/nature18850

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

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

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

Martinez Arbas S et al (2021) Roller til bakteriofager, plasmider og CRISPR-immunitet i mikrobiell fellesskapsdynamikk avslørt ved bruk av tidsserieintegrert meta-omikk. Nat Microbiol 6:123–135. https://doi.org/10.1038/s41564-020-00794-8

Mima K et al (2020) Mikrobiomet, genetikk og gastrointestinale neoplasmer: det utviklende feltet for molekylær patologisk epidemiologi for å analysere tumor-immun-mikrobiom-interaksjonen. Hum Genet. https://doi.org/10.1007/s00439-020-02235-2

Narayanasamy S et al (2016) IMP: en rørledning for reproduserbare referanseuavhengige integrerte metagenomiske og metatranskriptomiske analyser. Genome Biol 17:260. https://doi.org/10.1186/ s13059-016-1116-8

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

Qin T, Fu J, Verkade HJ (2020) Rollen til tarmmikrobiomet i graftfibrose etter pediatrisk levertransplantasjon. Hum Genet. https:// doi.org/10.1007/s00439-020-02221-8

Rothschild D et al (2018) Miljø dominerer over vertsgenetikk i utformingen av menneskets tarmmikrobiota. Natur 555:210–215. https://doi. org/10.1038/nature25973

Sampson TR et al (2020) En tarmbakteriell amyloid fremmer alfa-synukleinaggregering og motorisk svekkelse hos mus. Elife. https://doi. org/10.7554/eLife.53111

Sanchez-Alcoholado L et al (2020) Rollen til tarmmikrobiomet i utvikling av kolorektal kreft og terapirespons. Kreft (Basel). https://doi.org/10.3390/cancers12061406

Sgritta M et al (2019) Mekanismer som ligger til grunn for mikrobielt medierte endringer i sosial atferd i musemodeller for autismespekterforstyrrelse. Neuron 101(246–259):e246. https://doi.org/10.1016/j. neuron.2018.11.018

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

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