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科研动态

Genome Medicine:从肠道菌群看帕金森病的特点及治疗方法
发布时间:2017-07-04 16:00   点击率:
导读
帕金森病(Parkinson’s disease, PD)是一种常见的神经系统变性疾病,主要由中枢神经系统中多巴胺的变性及减少引起。以往帕金森病的诊断部位包括中枢神经系统和肠道神经系统等。近年来,肠-脑轴理论被提出,本文利用宏基因组学技术,主要研究了早期帕金森患者肠道菌群的组成结构。
 
文献ID
题目:Functional implications of microbial and viral gut metagenome changes in early stage L-DOPA-naïve Parkinson’s disease patients
译名:宏基因组学揭示了微生物和病毒在早期帕金森患者中的功能
期刊:Genome Medicine
年份:2017      IF:7
通讯作者:P. Bork and U. Wüllner
单位:德国波恩大学,神经学部,神经退行性疾病研究中心
 
材料与方法
组别
疾病组:31位男性早期帕金森患者;
健康组,28位年龄相仿的健康男性。
 
帕金森药物对患者肠道微生物影响
多巴胺激动剂+单胺氧化酶抑制剂+金刚胺,10人;
单胺氧化酶抑制剂+金刚胺,14人;
单胺氧化酶抑制剂,3人;
无治疗,3人。
 
样本类型
粪便
 
测序手段及平台
宏基因组测序,Illumina Hiseq4000。
 
研究成果
1、帕金森患者肠道菌群的组成结构
利用Bray–Curtis distance,NMDS(non-metric multidimension)分析PD组和健康组肠道微生物的组成结构,结果发现两组存在显著差异,而组内只有很小的差异。梭菌目、类杆菌科、瘤胃菌科在两组中的相对丰度最高,为50%-52%。
 
对比PD组和健康组,PD组中Akkermansia muciniphila、Alistipes shahii细菌相对丰度显著升高,Prevotella copri、Eubacterium biforme、Clostridium saccharolyticum细菌相对丰度显著降低。
 
本研究并没有找到可作为帕金森临床诊断的biomarker,但发现三种真菌(E. eligens、E. rectale、E. hallii)与疾病的严重程度有关(见图1)。
               
图1. PD和健康组肠道微生物属级和种级的差异
 
2、帕金森患者肠道菌群的功能分析
对比PD组和健康组,KEGG分析显示PD患者中降解D-葡糖醛酸的基因显著降低,这与GMM(Gut specific Metabolic Modules)的同源性分析一致,分析还发现一条更为活跃的色氨酸代谢途径(色氨酸—犬尿氨酸—2-aminomuconate)。为了确定哪种微生物在PD中起到关键作用,经过多次测试校正,发现为模块0065和0118中的真细菌,Eubacterium在帕金森患者中显著升高(见图2)。
 
图2. PD和健康组中不同的代谢途径和功能
 
3、药物对肠道菌群的影响
对比服用不同药物治疗的PD患者的肠道微生物,没有发现微生物在相对丰度上的显著差异。与不服用他汀药物组相比,服用他汀药物组肠道中真菌含量上升;对比健康组和PD组,健康组中真菌含量上升。 
 
4、区分PD与健康组的肠道微生物
为了区分PD和健康人,选择上述中得到的6个重要的肠道微生物模块(Eubacterium、Capnocytophaga、Phascolarctobacterium、Akkermansia、 mOTUs no further classified than to Firmicutes和mOTUs no further classified than to Bacteria level)进行逻辑回归分类分析,AUC=0.84。而Eubacterium模块在其中起到重要的作用,AUC=0.63。
 
图3. 微生物定级PD的严重程度
 
5、建立PD的结构数据模型
总结重要的差异肠道微生物、宏基因组数据、功能信号通路,建立数学模型,来阐释帕金森患者肠道菌群,AIC=59.4(Akaike information criterion),该模型符合以上结果,还发现单胺氧化酶抑制剂、关键的分类模块在PD中的重要作用。
 
图4. PD的结构建模
 
研究结论
阐明了帕金森患者肠道微生物的组成结构与健康人的差异以及信号通路的富集,包括Ⅱ型真杆菌、β-葡萄糖醛酸和色氨酸的降解通路。揭示了不同药物治疗对帕金森患者肠道微生物的影响,并建立SEM数学模型,分析帕金森患者肠道菌群的特点。
 
亮点
① 之前的研究都是利用16S测序,得到的信息并不全面,本实验采用宏基因组测序技术,信息更为全面,挖掘数据程度也深。
② 首次报道Eubacterium biforme在帕金森症中的功能。