Човешкият микробиом и генетичното заболяване: към интегрирането на метагеномни и мултиомични данни

Микробиомът все повече се признава като имащ фундаментална роля в човешката физиология, както в контекста на здравето, така и на болестта (Rothschild 2018). Всъщност съставът на микробиотата е ключов фактор, свързан с различни човешки генетични заболявания. Например при няколко неврологични разстройства, като болестта на Алцхаймер, болестта на Паркинсон и инсулт, микробиомът се очертава като важен играч в причинно-следствената връзка и модулацията на заболяването (Sampson 2020; Sgritta 2019).

Щракнете, за да получите нефритена цистанче за болестта на Паркинсон и болестта на Алцхаймер

По същия начин, при рак, микробиомът сега се признава като играещ ключова роля във възпалението, имунния отговор и генерирането на токсични метаболити, като по този начин допринася за процеса на канцерогенеза (Coker 2018; Dejea 2018; Tanoue 2019). Бързото развитие на технологията за секвениране и увеличаването на размера на извадките от изследването доведоха до нови разработки, като проучвания за асоцииране в целия микробиом, предназначени да характеризират микробиотата и тяхното въздействие върху различни човешки заболявания (Gilbert 2016; Wang 2018).

Правени са различни опити за характеризиране на влиянието на човешкия микробиом в различни тъкани и на различни етапи от патогенезата на заболяването чрез интегриране на данни за микробиома, по-специално метагеномни данни, с мултиомични данни (Liu 2020; Integrative 2019). Метагеномните данни често са интегрирани с метатранскриптомични, метапротеомични и метаболомични данни, за да се определи количествено изобилието на микробиома по отношение на генната експресия и нивата на протеини и метаболити (Narayanasamy 2016; Nies 2021; Martinez Arbas 2021).

Интегрирането на мулти-омични данни предостави нови прозрения за функциите на микробиома чрез увеличаване на сложността на наличните данни, което от своя страна стимулира развитието на нови биоинформатични и статистически подходи. Повтаряща се тема в настоящите изследвания на микробиома е прилагането на ефективни аналитични подходи за откриване на нови връзки между микробиома и човешките генетични заболявания.

Тези проучвания служат за подобряване на разбирането ни за механизмите, чрез които микробиомът влияе на човешките генетични заболявания на множество нива. Освен това те позволиха преминаване от изследване на причинно-следствената връзка на заболяването към използване на тези данни при диагностициране и проектиране на нови терапевтични средства.

В този брой представяме четири статии, отговарящи на темата „Човешкият микробиом и генетично заболяване“, които заедно илюстрират изследването на човешкото генетично заболяване чрез изследвания на чревния микробиом и подчертават нови подходи, както и нови открития относно механизмите на заболяването. Чревният микробиом влияе върху здравето на гостоприемника, като действа като регулатор на пътищата на гостоприемника за заболявания, впоследствие засягащи имунната система и енергийния метаболизъм.

В своя преглед Nichols и Davenport (2020) описват проучвания на връзката между микробиома и транскриптома на гостоприемника, които са извършени с помощта на моделни организми, чрез събиране на биопсии или генериране на органоиди. За да се разбере по-добре връзката между микробиома и гостоприемника, едноклетъчното секвениране и органоидните системи се предлагат като бъдещи технологии за свързване на гостоприемник с микробите, живеещи в него (Nichols и Davenport 2020).

Натрупани са също доказателства, които показват ролята на микробиома в туморогенезата (Sanchez-Alcoholado 2020; Bhatt et al. 2017; Helmink et al. 2019). Втората статия, от Mima et al., изследва интегрирането на микробиологията в модела на молекулярната патологична епидемиология и предоставя изследователска рамка за разкриване на ролите на микробиома при повлияване на биологията както на туморните клетки, така и на имунните клетки (Mima 2020).

Установено е, че микробиомът на червата играе важна роля при възпалително заболяване на червата (IBD) и както Collij et al. показват, има потенциала да се превърне както в диагностичен инструмент, така и в терапевтична опция при IBD, ако постави златен стандарт за установяване на събиране на проби за биобанкиране (Collij et al. 2020).

И накрая, има и роля на чревната микробиота за повлияване на резултата от трансплантация на твърди органи. В този контекст Qin et al. показват, че промяната на микробиома може да допринесе за развитието на фиброза на присадката след педиатрична чернодробна трансплантация (Qin et al. 2020). Нашето третиране на тази специална тема подчертава някои ключови постижения, постигнати в тълкуването на човешките генетични заболявания чрез изследвания на чревната микробиома, наблягайки на нови подходи, както и на нови открития относно механизмите на заболяването.

Theмеханизъм на невропротективния ефект на Cistanche

Доказано е, че Cistanche има невропротективни ефекти чрез няколко механизма:

1. Противовъзпалителни ефекти: Cistanche съдържа съединения, за които е доказано, че инхибират възпалението в различни части на мозъка, което може да помогне за защита на невроните от увреждане.

2. Антиоксидантни ефекти: Cistanche съдържа съединения, които имат силни антиоксидантни свойства. Антиоксидантите помагат за защита на невроните от увреждане, причинено от свободни радикали и оксидативен стрес.

3. Регулиране на невротрансмитери: Доказано е, че Cistanche регулира някои невротрансмитери, като серотонин и допамин, които могат да помогнат за защита на невроните и подобряване на когнитивната функция.

4. Стимулиране на невротрофичния фактор: Доказано е, че Cistanche стимулира производството на невротрофични фактори, като мозъчен невротрофичен фактор (BDNF), който може да насърчи растежа и оцеляването на невроните.

Като цяло, тези механизми работят заедно, за да предпазят невроните от увреждане, да насърчат растежа и оцеляването им и да подобрят когнитивната функция.

Препратки

Bhatt AP, Redinbo MR, Bultman SJ (2017) Ролята на микробиома в развитието и терапията на рака. CA Cancer J Clin 67:326–344.https://doi.org/10.3322/caac.21398

Coker OO et al (2018) Мукозна микробиомна дисбиоза при карциногенеза на стомаха. Черва 67:1024-1032. https://doi.org/10.1136/ gutjnl-2017-314281

Collij V, Klaassen MAY, Weersma RK, Vila AV (2020) Чревна микробиота при възпалителни заболявания на червата: преминаване от фундаментална наука към клинични приложения. Хъм Генет. https://doi.org/10.1007/ s00439-020-02218-3 de

Nies L et al (2021) PathoFact: тръбопровод за прогнозиране на фактори на вирулентност и гени за антимикробна резистентност в метагеномни данни. Микробиома 9:49. https://doi.org/10.1186/ s40168-020-00993-9

Dejea CM et al (2018) Пациенти с фамилна аденоматозна полипоза притежават биофилм на дебелото черво, съдържащ туморогенни бактерии. Наука 359: 592–597. https://doi.org/10.1126/science.aah3648

Gilbert JA et al (2016) Проучванията за асоцииране на микробиома свързват динамичните микробни консорциуми с болестта. Nature 535:94–103.https://doi.org/10.1038/nature18850

Helmink BA, Khan MAW, Hermann A, Gopalakrishnan V, Wargo JA (2019) Микробиомът, ракът и терапията на рака. Nat Med 25: 377–388. https://doi.org/10.1038/s41591-019-0377-7

Интегративен HMPRNC (2019) Проектът за интегративен човешки микробиом. Природа 569: 641-648. https://doi.org/10.1038/ s41586-019-1238-8

Liu J et al (2020) Интегриране на епидемиологични, фармакологични, генетични и чревни микробиомни данни в атлас на лекарствени метаболити. Nat Med 26: 110–117. https://doi.org/10.1038/s41591-019-0722-x

Martinez Arbas S et al (2021) Ролята на бактериофагите, плазмидите и CRISPR имунитета в динамиката на микробната общност, разкрита с помощта на интегрирана мета-омика с времеви серии. Nat Microbiol 6:123–135. https://doi.org/10.1038/s41564-020-00794-8

Mima K et al (2020) Микробиома, генетиката и стомашно-чревните неоплазми: развиващата се област на молекулярната патологична епидемиология за анализиране на взаимодействието тумор-имун-микробиома. Хъм Генет. https://doi.org/10.1007/s00439-020-02235-2

Narayanasamy S et al (2016) IMP: тръбопровод за възпроизводими референтни независими интегрирани метагеномни и метатранскриптомни анализи. Genome Biol 17:260. https://doi.org/10.1186/ s13059-016-1116-8

Nichols RG, Davenport ER (2020) Връзката между микробиома на червата и експресията на ген на гостоприемника: преглед. Hum Genet.https://doi.org/10.1007/s00439-020-02237-0

Qin T, Fu J, Verkade HJ (2020) Ролята на микробиома на червата във фиброзата на присадката след педиатрична чернодробна трансплантация. Хъм Генет. https:// doi.org/10.1007/s00439-020-02221-8

Rothschild D et al (2018) Околната среда доминира над генетиката на гостоприемника при оформянето на чревната чревна микробиота. Природа 555: 210-215. https://doi. org/10.1038/nature25973

Sampson TR et al (2020) Чревен бактериален амилоид насърчава алфа-синуклеинова агрегация и двигателно увреждане при мишки. Елайф. https://doi. org/10.7554/eLife.53111

Sanchez-Alcoholado L et al (2020) Ролята на микробиома на червата в развитието на колоректален рак и терапевтичния отговор. Ракови заболявания (Базел). https://doi.org/10.3390/cancers12061406

Sgritta M et al (2019) Механизми, лежащи в основата на медиирани от микроби промени в социалното поведение при миши модели на разстройство от аутистичния спектър. Неврон 101 (246–259): e246. https://doi.org/10.1016/j. неврон.2018.11.018

Tanoue T et al (2019) Дефиниран комензален консорциум предизвиква CD8 Т клетки и противораков имунитет. Природа 565: 600-605. https://doi. org/10.1038/s41586-019-0878-z

Wang J et al (2018) Мета-анализ на проучвания за асоцииране между човешки геном и микробиом: инициативата на консорциума MiBioGen. Микробиома 6:101. https://doi.org/10.1186/s40168-018-0479-3