Lidský mikrobiom a genetické onemocnění: Směrem k integraci metagenomických a multiomických dat

Stále více se uznává, že mikrobiom má zásadní roli v lidské fyziologii v kontextu zdraví i nemoci (Rothschild 2018). Složení mikrobioty je skutečně klíčovým faktorem spojeným s řadou lidských genetických onemocnění. Například u několika neurologických poruch, jako je Alzheimerova choroba, Parkinsonova choroba a mrtvice, se mikrobiom ukázal jako důležitý hráč v příčinách a modulaci onemocnění (Sampson 2020; Sgritta 2019).

Klikněte pro nefritovou cistanche pro Parkinsonovu chorobu a Alzheimerovu chorobu

Podobně u rakoviny se nyní uznává, že mikrobiom hraje klíčovou roli při zánětu, imunitní odpovědi a tvorbě toxických metabolitů, čímž přispívá k procesu karcinogeneze (Coker 2018; Dejea 2018; Tanoue 2019). Rychlý vývoj technologie sekvenování a zvýšení velikosti studijních vzorků přinesly nový vývoj, jako jsou asociační studie v rámci celého mikrobiomu určené k charakterizaci mikrobioty a jejich dopadu na různá lidská onemocnění (Gilbert 2016; Wang 2018).

Byly učiněny různé pokusy charakterizovat vliv lidského mikrobiomu v různých tkáních a v různých fázích patogeneze onemocnění integrací dat mikrobiomu, konkrétně metagenomických dat, s daty multi-omics (Liu 2020; Integrative 2019). Metagenomická data byla často integrována s metatranskriptomickými, metaproteomickými a metabolomickými daty pro kvantifikaci množství mikrobiomu z hlediska genové exprese a hladin proteinů a metabolitů (Narayanasamy 2016; Nies 2021; Martinez Arbas 2021).

Integrace multi-omických dat poskytla nový pohled na funkce mikrobiomu zvýšením složitosti dostupných dat, což následně stimulovalo vývoj nových bioinformatických a statistických přístupů. Opakujícím se tématem současných studií mikrobiomů je aplikace účinných analytických přístupů k objevování nových vztahů mezi mikrobiomem a lidskými genetickými chorobami.

Tyto studie slouží ke zlepšení našeho porozumění mechanismům, kterými mikrobiom ovlivňuje lidské genetické onemocnění na mnoha úrovních. Kromě toho umožnily posun od zkoumání příčiny onemocnění k použití těchto dat při diagnostice a navrhování nových terapeutik.

V tomto čísle představujeme čtyři články odpovídající tématu „Lidský mikrobiom a genetická onemocnění“, které společně ilustrují zkoumání lidských genetických onemocnění prostřednictvím studií střevních mikrobiomů a zdůrazňují nové přístupy a nové poznatky o mechanismech onemocnění. Střevní mikrobiom ovlivňuje zdraví hostitele tím, že působí jako regulátor cest hostitele pro nemoci, které následně ovlivňují imunitní systém a energetický metabolismus.

Nichols a Davenport (2020) ve svém přehledu popisují studie vztahu mezi mikrobiomem a hostitelským transkriptomem, které byly provedeny pomocí modelových organismů, sběrem biopsií nebo generováním organoidů. Pro lepší pochopení vztahu mezi mikrobiomem a hostitelem jsou navrženy jednobuněčné sekvenování a organoidní systémy jako budoucí technologie pro spojení hostitele s mikroby žijícími v něm (Nichols a Davenport 2020).

Shromáždily se také důkazy, které naznačují roli mikrobiomu v tumorigenezi (Sanchez-Alcoholado 2020; Bhatt et al. 2017; Helmink et al. 2019). Druhý článek od Mimy et al. zkoumá integraci mikrobiologie do molekulárně patologického epidemiologického modelu a poskytuje výzkumný rámec pro odhalení rolí mikrobiomu při ovlivňování biologie jak nádorových buněk, tak imunitních buněk (Mima 2020).

Bylo zjištěno, že střevní mikrobiom hraje důležitou roli při zánětlivém onemocnění střev (IBD), a jak Collij et al. má potenciál stát se jak diagnostickým nástrojem, tak terapeutickou možností u IBD, pokud stanoví zlatý standard pro zavedení odběru vzorků pro biobanking (Collij et al. 2020).

A konečně, existuje také úloha střevní mikroflóry při ovlivňování výsledku transplantace pevných orgánů. V této souvislosti Qin a kol. ukazují, že změna mikrobiomu může přispět k rozvoji fibrózy štěpu po transplantaci jater u dětí (Qin et al. 2020). Naše zpracování tohoto speciálního tématu zdůrazňuje některé klíčové pokroky dosažené při interpretaci lidských genetických onemocnění prostřednictvím studií střevních mikrobiomů, přičemž zdůrazňuje nové přístupy a také nové poznatky o mechanismech onemocnění.

Themechanismus neuroprotektivního účinku Cistanche

Bylo prokázáno, že Cistanche má neuroprotektivní účinky prostřednictvím několika mechanismů:

1. Protizánětlivé účinky: Cistanche obsahuje sloučeniny, u kterých bylo prokázáno, že inhibují zánět v různých částech mozku, což může pomoci chránit neurony před poškozením.

2. Antioxidační účinky: Cistanche obsahuje sloučeniny, které mají silné antioxidační vlastnosti. Antioxidanty pomáhají chránit neurony před poškozením způsobeným volnými radikály a oxidačním stresem.

3. Regulace neurotransmiterů: Bylo prokázáno, že Cistanche reguluje některé neurotransmitery, jako je serotonin a dopamin, které mohou pomoci chránit neurony a zlepšit kognitivní funkce.

4. Stimulace neurotrofických faktorů: Bylo prokázáno, že Cistanche stimuluje produkci neurotrofických faktorů, jako je neurotrofický faktor odvozený od mozku (BDNF), který může podporovat růst a přežití neuronů.

Celkově tyto mechanismy spolupracují na ochraně neuronů před poškozením, podporují jejich růst a přežití a zlepšují kognitivní funkce.

Reference

Bhatt AP, Redinbo MR, Bultman SJ (2017) Role mikrobiomu ve vývoji a léčbě rakoviny. CA Cancer J Clin 67:326–344.https://doi.org/10.3322/caac.21398

Coker OO et al (2018) Slizniční mikrobiomová dysbióza v karcinogenezi žaludku. Střevo 67:1024–1032. https://doi.org/10.1136/ gutjnl-2017-314281

Collij V, Klaassen MAY, Weersma RK, Vila AV (2020) Střevní mikroflóra u zánětlivých onemocnění střev: přechod od základní vědy ke klinickým aplikacím. Hum Genet. https://doi.org/10.1007/ s00439-020-02218-3 de

Nies L et al (2021) PathoFact: kanál pro predikci faktorů virulence a genů antimikrobiální rezistence v metagenomických datech. Mikrobiom 9:49. https://doi.org/10.1186/ s40168-020-00993-9

Dejea CM et al (2018) Pacienti s familiární adenomatózní polypózou obsahují biofilm tlustého střeva obsahující tumorigenní bakterie. Science 359:592–597. https://doi.org/10.1126/science.aah3648

Gilbert JA et al (2016) Asociační studie v rámci celého mikrobiomu spojují dynamická mikrobiální konsorcia s onemocněním. Nature 535:94–103.https://doi.org/10.1038/nature18850

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

Integrativní HMPRNC (2019) Projekt integrativního lidského mikrobiomu. Nature 569:641–648. https://doi.org/10.1038/ s41586-019-1238-8

Liu J et al (2020) Integrace epidemiologických, farmakologických, genetických a střevních mikrobiomových dat do atlasu lékových metabolitů. Nat Med 26:110–117. https://doi.org/10.1038/s41591-019-0722-x

Martinez Arbas S et al (2021) Role bakteriofágů, plazmidů a imunity CRISPR v dynamice mikrobiální komunity odhalené pomocí integrované meta-omiky v časové řadě. Nat Microbiol 6:123–135. https://doi.org/10.1038/s41564-020-00794-8

Mima K et al (2020) Mikrobiom, genetika a gastrointestinální novotvary: vyvíjející se pole molekulárně patologické epidemiologie k analýze interakce nádor-imunita-mikrobiom. Hum Genet. https://doi.org/10.1007/s00439-020-02235-2

Narayanasamy S et al (2016) IMP: kanál pro reprodukovatelné referenční nezávislé integrované metagenomické a metatranskriptomické analýzy. Genome Biol 17:260. https://doi.org/10.1186/ s13059-016-1116-8

Nichols RG, Davenport ER (2020) Vztah mezi střevním mikrobiomem a expresí genu hostitele: přehled. Hum Genet.https://doi.org/10.1007/s00439-020-02237-0

Qin T, Fu J, Verkade HJ (2020) Role střevního mikrobiomu ve fibróze štěpu po transplantaci jater u dětí. Hum Genet. https://doi.org/10.1007/s00439-020-02221-8

Rothschild D et al (2018) Prostředí dominuje nad genetikou hostitele při utváření lidské střevní mikroflóry. Příroda 555:210–215. https://doi. org/10.1038/nature25973

Sampson TR et al (2020) Střevní bakteriální amyloid podporuje agregaci alfa-synukleinu a motorické poškození u myší. Elife. https://doi. org/10.7554/eLife.53111

Sanchez-Alcoholado L et al (2020) Role střevního mikrobiomu ve vývoji kolorektálního karcinomu a odpovědi na léčbu. Rakovina (Basilej). https://doi.org/10.3390/cancers12061406

Sgritta M et al (2019) Mechanisms základní mikrobiálně zprostředkované změny v sociálním chování v myších modelech poruchy autistického spektra. Neuron 101(246–259):e246. https://doi.org/10.1016/j. neuron.2018.11.018

Tanoue T et al (2019) Definované komenzální konsorcium vyvolává CD8 T buňky a protirakovinnou imunitu. Příroda 565:600–605. https://doi. org/10.1038/s41586-019-0878-z

Wang J et al (2018) Metaanalýza studií asociace lidského genomu a mikrobiomu: iniciativa konsorcia MiBioGen. Mikrobiom 6:101. https://doi.org/10.1186/s40168-018-0479-3