科研 | Cell Reports:肠道微生物组的系统分析揭示了细菌叶酸和同型半胱氨酸代谢在帕金森病中的作用

2021
05/05

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微生态
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帕金森病是最常见的损害运动功能的进行性神经障碍疾病。

编译:微科盟Dr.何力宏,编辑:微科盟木木夕、江舜尧。

微科盟原创微文,欢迎转发转载。

导读  

帕金森病是最常见的损害运动功能的进行性神经障碍疾病。然而,非运动症状相较于运动障碍症状(比如胃肠功能障碍)会先发生。胃肠道和肠道神经系统早期受累的证据表明,我们需要更好地理解肠道微生物群在帕金森病胃肠道并发症中的作用。本研究使用宏基因组学血清代谢组学研究了帕金森病患者的肠道微生物组,利用代谢模型整合数据构建了一个综合的相关网络,深入了解与疾病严重程度、胃肠功能障碍和帕金森病患者年龄相关的关键微生物种类。功能分析显示,在帕金森病中,微生物降解粘蛋白和宿主聚糖的能力增强特定的菌群代谢模型揭示了微生物对叶酸缺乏和高同型半胱氨酸血症的贡献。此模型对研究肠道微生物代谢对帕金森病的病理生理学影响有着巨大贡献。


论文ID


名:Systematic analysis of gut microbiome reveals the role of bacterial folate and homocysteine metabolism in Parkinson’s disease

肠道微生物组的系统分析揭示了细菌叶酸和同型半胱氨酸代谢在帕金森病中的作用

期刊Cell Reports 

IF:8.109

发表时间:2021.3

通讯作者:Adil Mardinoglu & Saeed Shoaie

通讯作者单位:瑞典斯德哥尔摩皇家理工学院生命科学实验室


实验设计


图文摘要  


在本研究中,研究员应用了一种综合相关网络(ICN)方法,以更好了解物种之间的相互作用以及它们与不同临床数据的相关性,该方法提供了与帕金森病严重程度、胃肠道功能障碍和年龄相关的常见和独特微生物种类的详细分析。通过分析显著改变的碳水化合物活性酶(CAZymes),发现帕金森病患者中与粘蛋白和宿主聚糖降解相关的基因丰度增加,并与疾病严重程度、胃肠道功能障碍和患者年龄有关。本研究为关键物种生成了全基因组代谢网络模型(Genome-scale metabolic models, GEMs),并结合血清代谢组学数据进行了途径分析以及个体和细菌群落水平的建模,分析显示帕金森病患者的叶酸产量减少,同型半胱氨酸产量增加。从同一队列的帕金森病患者收集的血清样本生成了目标代谢组学数据。利用GEMs整合代谢组学和宏基因组学数据,(宏基因组数据已经用改进的宏基因组物种谱进行了重新分析),以研究微生物组对宿主代谢的影响。综合代谢建模方法能够确定肠道微生物群在宿主代谢中对帕金森病病理生理学的作用。


结果


1 帕金森病队列中肠道微生物组成变化的分析
我们量化了公开的鸟枪法宏基因组学数据,其包括了31名早期左旋多巴缺乏的帕金森病男性患者和28名匹配对照组。在宏基因组学数据分析中,我们使用了最新可用的人类肠道微生物组目录来确定基因丰度。使用甲基化特异性PCR法(Methylation-specific PCR,MSP) ,促进了对关键宏基因组物种进行更深入功能注释的扰动肠道微生物物种的鉴定。由于保留深度测序样本的数据处理要求,我们移除了一些样本,并重新分析了26名帕金森病患者和25名对照的宏基因组学数据,其中11名为健康对照 ( Healthy controls, C Os) ,14名为具有心血管风险因素的疾病对照( Diseased controls with cardiovascular risk factors, DCs) 。为简单起见,除非另有说明,否则我们在正文中引用为COs和DCs。在这里,帕金森病和对照组之间的微生物组成变化被定义为帕金森病生物失调。帕金森病患者和对照组之间在门、科和属水平上的显著分类变化可以在表S1和图S1中找到。我们通过无监督聚类进行了肠型分析,发现了三个富含拟杆菌门、厚壁菌门和普雷沃氏菌门的肠型聚类。我们观察到帕金森病患者的微生物群聚集成拟杆菌门和厚壁菌门肠型,并与丰富度相关(图1A)。与对照组不同,帕金森病样本中没有普雷沃氏菌肠型。
帕金森病患者和对照组之间132个MSPs物种水平丰度显著改变(Wilcoxon signed-rank test/威尔科克森符号秩检验,[FDR] < 0.05):在帕金森病患者中,73个MSPs显著增加(16个分类在所有分类水平),而59个MSPs显著减少(32个分类在所有系统发育水平)(表S1)。我们还发现了对照组各亚组特有的显著变化。PD和健康对照组之间3种和19种MSPs的丰度分别显著增加和减少。与心血管危险因素组相比,11种MSPs的丰度显著增加,而26种MSPs的丰度显著降低,其中5种为普雷沃氏菌属,6种乳杆菌属,及3种是链球菌属。MSPs和肠道微生物基因目录的使用能够识别出与对照组相比的帕金森病患者中丰度发生改变的其他物种(图1B)。根据最初的研究,与对照组相比,帕金森病患者的 Akkermansia muciniphila Alistipes shahii的丰度显著增加,而Prevotella copriClostridium saccharolyticum的丰度显著降低。我们还发现了其他物种——Alistipes obesi, Alistipesihumii Candidatus gastranaerophilale——在帕金森病患者中的丰度明显高于对照组。与健康对照组相比,患有帕金森病的人的Ruthenibacterium lactatiformans显著增加,而与疾病对照组相比,患帕金森病的人的螺旋杆菌(Clostridium spiroforme)显著增加。Methanobrevibacter smithii_2 (M. smithii_2)是甲烷的主要人类肠道古菌生产者,此物种在帕金森病中显著增加。与对照组相比,Desulfibrio piger(一种硫酸盐还原剂),在帕金森病患者中显著减少,而肠道玫瑰菌(Roseburia intestinalis)和粪肠球菌(Faecalibacillus prausnitzii)两者均为丁酸盐的生产者,与健康对照组相比减少。与心血管危险因素组相比,帕金森病患者中的F. prausnitziiP. copri明显减少。
 

1 肠型和微生物组成的变化
(A)左:PD样本的肠型。主成分分析(PCA)图代表肠型突出显示的PD样本。右:基因丰富度与PD样本肠型的关系。 (B) 帕金森病与对照组(*)、帕金森病与健康对照组(COs)(+)、帕金森病与疾病对照组(DC)(SS)之间的条形码显著增加和减少的MSPs(Wilcoxon signed-rank test, FDR < 0.05)。条形码代表该组中的每个样本,每个基因的相应基因计数聚集成是MSPs。分析中的样本量:26个帕金森病样本和25个对照(其中11个是COs,14个DCs)。(C)四个组年龄分布图解,GSRS评分代表胃肠道功能,UPDRS III评分用于评估疾病进展和严重度。帕金森病临床参数第一和第四组的样本量:PD严重度分别为8和6个样本;PD胃肠道功能每组包含7个样本;PD年龄分别有7和8个样本。(D)综合相关网络(ICN),基于帕金森病与对照组和帕金森病患者元数据之间的MSPs显著性和斯皮曼相关性(Wilcoxon signed-rank test, FDR < 0.05)。帕金森病生物失调代表帕金森病患者和对照组之间丰度显著增加或减少的MSPs。帕金森病相关临床参数网络代表着与帕金森病患者的年龄、疾病严重程度和胃肠功能障碍相关且发生显著变化的MSPs。在网络中,灰色圆圈中的物种为帕金森病和/或对照生物失调中的一个以上临床参数相关。方形、圆形和六角形分别与胃肠功能障碍、年龄和疾病严重程度有关。圆圈中这些形状的颜色代表了微生物与其他临床参数的关联。
 
2 帕金森病患者肠道微生物组成的变化与疾病严重程度、胃肠功能障碍和年龄相关
除了帕金森病生物失调,考虑帕金森病患者的临床参数,我们确定进行分类变更。统一帕金森病评分量表三(UPDRS)评分用于衡量队列中帕金森病的病程,称为帕金森病严重程度。胃肠症状评分量表的修订版(GSRS)评分用于推断帕金森病患者的胃肠道症状,称为胃肠道功能障碍。斯皮尔曼相关性(Spear-man’s correlation)用于确定肠道微生物群的丰度与帕金森病的严重程度、胃肠功能障碍和帕金森病患者的年龄之间的关系 ( Wilcoxon signed-rank test, FDR< 0.05) 。考虑到帕金森病的每个临床参数,为了确定细菌丰度的显著变化,我们根据个人元数据信息将患者分为四个组(图1C),并使用Wilcoxon signed-rank test (FDR < 0.05).确定第一组和第四组的微生物丰度之间的差异。表S2和图S2列出了与PD临床参数相关的MSPs丰度显著的详细分析。
基于这些结果和与PD临床数据相关的MSPs分类,我们构建了一个ICN,以更好了解物种之间的相互作用以及它们与不同临床数据的相关性(图1D)。ICN的结果显示,大肠杆菌( Escherichia coli (E. coli) )的丰度显著增加,并与年龄、帕金森病的严重程度和帕金森病患者胃肠功能障碍的增加呈正相关。与对照组相比,帕金森病中的 Erysipelato-Clostridium sp1 Vctivallisvadensis 显著增加,并且与帕金森病患者的疾病严重程度和年龄呈正相关。与心血管危险因素组相比, Erysipelatoclostridium sp.在帕金森病中增加,并且随着帕金森病患者胃肠功能障碍的加重而增加(图S1)。与对照组相比,固氮螺菌属51_20( Azospirillum sp. 51_20)和固氮螺菌属CAG:239( Azospirillum sp. CAG:239)的丰度在帕金森病患者中显著增加,且与年龄呈正相关。如前所述,与对照组相比,帕金森病患者的 M. smithii_2 的丰度显著增加,而ICN分析显示 Methanobrevibacter smithii_1 的丰度显著增加,与胃肠功能障碍呈正相关,并随疾病严重程度显著增加。

3 粘蛋白和宿主聚糖降解与帕金森病的生物失调、严重程度、胃肠功能障碍和年龄相关
       由于碳水化合物代谢是肠道微生物组的关键特征之一,因此利用基因的碳水化合物活性酶(CAZymes)的分析来确定碳水化合物微生物转化的潜在变化(表S3)。总的来说,我们发现与对照组相比,帕金森病患者中MSPs丰度增加的注释粘蛋白和宿主聚糖降解基因编码酶(CAZymes)的数量增加,在患有更严重疾病、胃肠功能障碍的帕金森病患者和老年帕金森病患者中,MSPs增加(图2A和2B)。A. muciniphila其以降解宿主聚糖和粘蛋白的能力而闻名)的丰度在帕金森病患者中显著增加。具有合成脂多糖LPS能力的MSPs在老年帕金森病和更严重的帕金森病患者中增加。我们发现,和更严重的老年帕金森病患者相比,在MSPs丰度显著增加时,注释CAZymes(其与多种多糖、果胶、甘露聚糖、淀粉和其他储存碳水化合物的转化相关)的数量在帕金森病患者中显著增加。相比之下,在具有更严重胃肠功能障碍的帕金森患者中,带注释的CA-Zymes数量增加,此时MSPs丰度显著降低。
 

图2 更改后的MSPs的功能注释
(A和B)在帕金森病生物失调(帕金森病与对照相比)、帕金森病严重程度(UPDRS III评分)、帕金森病胃肠功能障碍(GSRS评分)和帕金森病患者年龄中,碳水化合物活性酶(CAZymes)的基因注释显著增加和减少(Wilcoxon signed-rank test, FDR < 0.05)。与对照组、疾病严重程度、胃肠功能障碍和帕金森病患者的年龄相比,帕金森病患者中注释为粘蛋白和宿主聚糖降解酶的基因在帕金森病患者中MSPs显著增加时更高。(C)显著增加和减少的MSPs的代谢途径普遍率和最大覆盖范围 (Wilcoxon signed-rank test, FDR < 0.05) (帕金森病相比对照),最大覆盖范围代表每组MSPs中最高的途径覆盖范围(显著增加和减少)。(D和E)与COs (11个样品)相比,基于GEMs的帕金森病PD((26个样品))MSPs显著个性化代谢途径富集(Wilcoxon符号秩检验,P < 0.05)(D)以及PD与DCs(14个样品)的对比 (E)。
 
4 用于帕金森病相关MSPs途径分析的GEMs
为了理解帕金森病患者中肠道微生物群代谢的机制,并揭示肠道微生物之间的相互作用及其对宿主代谢的贡献,我们为158个MSPs生成了GEMs,与对照组相比,这些MSPs的丰度发生了显著变化,并随疾病严重程度、胃肠功能障碍和年龄而变化(图S3)。我们将这些代谢模型用于个性化的细菌群落水平代谢建模和深入的途径分析。基于GEMs中的MSP丰度和反应,为每个患者和对照生成反应丰度矩阵。我们使用京都基因和基因组百科全书(KEGG)代谢途径来确定代谢反应普遍性之间的差异。最大覆盖范围代表每种临床条件下每组MSPs的最高途径覆盖范围。我们分析了帕金森病患者中显著增加和减少的MSPs组的最大覆盖范围和途径普遍率。与对照组相比,对肠道微生物扰动相关的细菌代谢途径的富集分析显示,淀粉、蔗糖、甘氨酸、丝氨酸和苏氨酸代谢在帕金森病的MSPs降低时更为普遍。MSPs中叶酸生物合成的发生率也较高,与对照组相比,帕金森病中有所下降(图2C)。在疾病严重程度较高的阶段,MSPs丰度增加时,精氨酸和脯氨酸代谢较高。在缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸生物合成也观察到类似的趋势。相比之下,核黄素代谢普遍较高,在更严重的帕金森病中MSPs丰度下降时(图S4)。甲烷代谢更普遍,在胃肠功能障碍增加的帕金森病患者中,MSPs丰度增加时。硫胺素代谢减少是与胃肠功能障碍增加相关的主要代谢特征,在MSPs降低时更为普遍,在更严重的胃肠功能障碍中(图S4)。在老年帕金森病患者中,核黄素代谢和叶酸生物合成在降低的MSPs中更为普遍(图S4)。乙醛酸和二羧酸代谢在与帕金森病、疾病严重程度和年龄相关的MSPs减少中更普遍,但在胃肠功能障碍增加的MSPs中也更普遍。
       使用反应丰度矩阵进行个性化代谢途径富集。通过KEGG途径富集分析,我们发现帕金森病和对照组之间以及帕金森病和每个亚对照组之间存在显著的变化(P < 0.05)。与健康个体相比,帕金森病患者的甲烷代谢显著增加(图2D)。基于使用功能代谢模型的途径富集分析,与心血管危险因素组相比,帕金森病患者的谷氨酰胺和谷氨酸代谢显著降低,细菌叶酸生物合成也显著减少(图2E)。与疾病对照组相比,帕金森病患者的淀粉和蔗糖代谢途径显著减少,同时果糖和甘露糖代谢途径也显著减少。

5 与帕金森病相关的单个物种的GEM
GEMs用于基于约束的建模。我们对每一GEM进行通量平衡分析(FBA),以评估每一MSP的细菌生长和主要代谢活动。模拟显示,与衰竭物种相比,在四种感兴趣的帕金森病临床条件下,显著增加物种的细菌生长率较低(图3A)。基于帕金森病中确定增加和减少的MSPs,我们研究了每种代谢物的消耗和产生。每种不同的帕金森病都有特定的微生物代谢变化,如增加的物种产生更高的吲哚(帕金森病与对照组相比)(图3B)。此外,在帕金森病的生物失调和严重程度中,丙酸盐和丁酸盐的产生与物种减少有关(图S5)。另外,模拟显示在帕金森病生物失调和更严重的帕金森病中,减少物种的甘露糖消耗更高。随着帕金森病的严重程度显著增加的物种中,脯氨酸的产量较高。在帕金森病胃肠功能障碍的增加阶段,衰竭物种的甘氨酸和精氨酸产量较高(图S5)。此外,在随着帕金森病失调和严重程度的增加的物种中,硫化氢(H2S)的产量较高。在帕金森氏病生物失调增加的物种中以及胃肠功能障碍增加的帕金森病患者中,氨(NH3)的产量较高。基于FBA的预测,我们评估了细菌对肠道微生物代谢的潜在贡献。

6 个性化水平的菌群代谢建模和代谢组学揭示了肠道微生物对帕金森病患者代谢改变的贡献
单个MSPs的代谢建模能够评估整体肠道微生物代谢在物种水平中的潜在作用。然而,考虑到物种的丰富度和营养的有效性,微生物群落中的个体微生物活性是不同的。因此,为了更深入地了解肠道微生物群对帕金森病患者宿主代谢的贡献,我们为帕金森病队列中的每个个体重建了个性化的菌群模型(25PD,10CO,13 DC)。个性化水平的菌群建模表明,与对照组相比,帕金森病患者体内微生物产生的同型半胱氨酸、甘氨酸、异亮氨酸、谷氨酸、硝酸盐和缬氨酸显著增加(图3C)。个性化的细菌群落模型还表明,帕金森病患者体内微生物分泌的半胱氨酸、半胱氨酸-甘氨酸和牛磺酸较多。我们预测微生物产生的NH3、H2S和H2O2在PD群落中增加(图3D)。此外,与对照组相比,预测帕金森病患者中色氨酸、吲哚、鸟氨酸、苯丙氨酸和腐胺的分泌增加。另一方面,预计帕金森病患者中叶酸、谷氨酰胺、肌肽和琥珀酸的产量会减少。
为了评估预测,我们使用从同一帕金森病队列的8名帕金森病患者、5名健康对照组和5名心血管危险因素组获得的血清样本生成了目标代谢组学数据(表S4)。根据分析物类别,与对照组相比,帕金森病患者的吲哚和衍生物水平有所增加(图4A)。同样,与对照组相比,帕金森病患者的鞘磷脂和生物胺增加,而胆汁酸和脂肪酸的分布减少。利用代谢组学数据对帕金森病患者和对照组进行偏最小二乘回归分析,识别出显著不同的代谢物(P < 0.05) (表S5)。先前与肠道微生物群相关的马尿酸和吲哚丙酸(IPA)在帕金森病患者中显著高于健康对照组和心血管危险因素组(图4B)。与健康对照组相比,色氨酸甜菜碱显著增加,而吲哚酚硫酸盐在帕金森病中显著减少。
个性化的肠道微生物群落建模和血浆代谢组学相结合,以全面了解肠道微生物群-宿主代谢相互作用。基于肠道微生物群落的模型,我们能够确定菌群中可能有助于代谢物生产/消耗的物种。与对照组相比,帕金森病患者的吲哚和色氨酸微生物产量增加。发现了A. muciniphilaA. ihumiiA. shahiiC. gastranaerophilales是吲哚的主要产生菌,而A. muciniphilaErysipelatoclostridiumEubacterium促进色氨酸分泌(图5)。血清样品的代谢组学分析显示,与对照组相比,帕金森病样品中吲哚和衍生物的浓度增加。帕金森病患者IPA浓度显著升高,而硫酸吲哚酚浓度显著降低。此外,与对照组相比,帕金森病患者的叶酸水平降低,并且在帕金森病群落中证实了同型半胱氨酸的分泌增加。
 

3 个体化MSPsGEMPD队列的个体化肠道微生物群落建模
(A)单个细菌生长率的预测(h-1).总体而言,与丰度显著增加的MSPs相比,丰度显著降低的MSPs显示出更高的生长速率。(B)基于PD失调代谢产物的产生和消耗显著增加和减少MSPs对宿主肠道代谢池的潜在贡献(威尔科克森符号秩检验,FDR < 0.05)。x轴表示减少或增加的MSPs数量有助于在y轴的代谢产物消耗或生产量 (分别为绿色负值和蓝色正值)。(C)PD宏基因组学队列中每个受试者的个性化的肠微生物群落模型:25个PD群落和23个对照组群落,其中10个是COs,13个是DCs。值得注意的是(Wilcoxon signed-rank test, P < 0.05),在PD组合和对照组之间的肠道菌群模型显示了分泌的微生物代谢物的不同通量(基于FBA的预测)。热图显示每个组的微生物代谢物流动的标准分数(Z-score)。(D)基于个性化肠道微生物群落建模FBA预测,肠道微生物群落对宿主肠道代谢池的潜在贡献。蓝色,与PD相比,对照组中微生物代谢物的分泌增加;绿色,与对照组相比,PD群落中微生物代谢物的分泌增加。
 
基于群落建模,我们确定,与对照组相比,帕金森病患者中Parapreve-tella clara, Prevotella sp.和 R. intestinalis减少,并产生叶酸。A. muciniphila, Subdoligranulum sp., Eubacterium sp.和 Clostridiales family XIII被确定为同型半胱氨酸的主要产生者,并且与对照组相比,帕金森病患者的同型半胱氨酸水平升高。

图4 8例PD、5例COs和5例DCs血清样本的代谢组学研究
(A) PD组和对照中分析物类别的相对浓度。(B) PD与对照组、PD与COs、PD与DCs之间的显著代谢产物(Wilcoxon符号秩检验,P < 0.05。这些代谢物也被认为是PD和对照之间的偏最小二乘回归分析法((PLS-DA))的主要成分的特征。
 
我们在群落模型预测的通量之间进行了Spearman的相关分析,从中我们确定了群落区内的微生物生产者和宏基因组学样本中的MSPs丰度。我们发现代谢物水平与相关细菌的丰度显著相关(表S6)。

讨论


使用最新改进的人类肠道微生物组目录对PD和对照组之间肠道微生物丰度变化进行下游分析,可以扩展识别PD中扰动的肠道微生物物种和菌株。我们为关键物种生成了GEMs,并结合血清代谢组学数据进行了途径分析以及个体和菌群水平的建模。这些分析为肠道微生物群对帕金森病病理生理学的代谢贡献提供了见解。
我们观察到细菌短链脂肪酸(SCFAs)产生菌的丰度降低。B. thetaiotaomicron由于其类梨素蛋白(pirin-like protein)的抗炎活性而具有保护作用,减少上皮细胞中的促炎核因子kB (NF-kB)信号。在帕金森病患者中观察到普雷沃氏菌(Prevotella)的缺失,这可能与帕金森病患者的肠道微生物群功能障碍有关,并因此导致肠神经系统(ENS)的改变。此前也有报道称帕金森病患者体内存在普雷沃特科(Prevotellaceae)的耗竭。A. muciniphila丰度的增加和普雷沃氏菌(Prevotella)的减少可被推断为粘液降解较高,这可能导致帕金森病患者的肠道渗透性。CAZymes酶分析也观察到了这一点,这表明老年帕金森病患者和帕金森病严重程度较高的患者粘蛋白和宿主聚糖降解增加,聚糖降解减少,脂多糖LPS合成增加。肠道通透性增加有利于促炎细菌产物如LPS的转移。像脂多糖(LPS)这样的细菌碎片促进促炎性刺激,从而触发α-syn的聚集和沉积,因此可能有助于帕金森病的发展。
在我们的研究中,在帕金森病患者中,大肠杆菌(E. coli)的丰度显著增加,并与疾病的严重程度和年龄呈正相关。此外,还发现它与帕金森病的胃肠功能障碍呈正相关。以前的研究表明,α-syn和硝基酪氨酸的肠活检染色增加,表明乙状结肠粘膜中有氧化应激。大肠杆菌(E. coli)与帕金森病患者的肠道通透性过高有关。内毒素移位到结肠粘膜可引发促炎性级联反应,并可能参与帕金森病患者神经系统和中枢神经系统的神经炎症进展。大肠杆菌(E. coli)以其炎症活性而闻名,其丰度与认知障碍老年患者外周炎症状态的促炎细胞因子白细胞介素(IL)-1b、NLRP3和CXCL2呈正相关。除了其在引发肠道炎症中的作用外,大肠杆菌(E. coli)还通过贡献胞外细菌淀粉样蛋白curli而使得淀粉样变性。除了由人类基因组编码的~30淀粉样蛋白,肠道微生物群也产生功能性淀粉样蛋白,如curli,这是由某些肠道细菌大量表达的淀粉样蛋白。暴露于淀粉样蛋白curli的细菌生产者(包括大肠杆菌E. coli)的老龄大鼠,已证明了错误折叠的α-syn在肠道和大脑中的沉积增加。由大肠杆菌产生的curli蛋白在过量表达人α-syn 的小鼠的肠道和大脑中促进了α-syn病变。此类证据表明,由于大肠杆菌的丰度增加,暴露于胃肠道中的细菌淀粉样蛋白可能会触发或加速肠道和大脑中的α-syn聚集,从而导致帕金森病的发病。
由于产甲烷菌与降解丁酸盐的细菌共生,所以 M. smithii 的丰度增加可能对粪便丁酸盐浓度产生负面影响。此外,产甲烷菌战胜了产乙酸菌,降低了乙酸盐的生物利用度。因此,已知从乙酸盐中产生丁酸盐的F.prausnitziiR.intestinalis可以被帕金森病患者中M. smithii丰度的增加所抵消。甲烷由产甲烷菌产生,与慢性便秘有关,慢性便秘是帕金森病患者中最常报告的神经营养不良之一。甲烷的神经肌肉递质作用被认为可以传播肠道的蠕动。所确定的肠道微生物扰动表明了一种向促炎状态的转变,这种转变随着氧化状态的刺激和肠道微生物抗炎活性的耗尽。这种病理生理学改变已被认为是在帕金森病中ENS的α-syn聚集和沉积的触发因素。
我们还表明,在帕金森病患者胃肠功能障碍的较高阶段,硫胺素代谢下降。老年帕金森病患者叶酸生物合成和核黄素代谢的发生率降低。个性化途径富集分析表明,帕金森病患者叶酸生物合成明显减少。肠道叶酸生物合成也可能影响同型半胱氨酸水平。我们的模型显示帕金森病患者肠道菌群中同型半胱氨酸的微生物产量增加。先前的一项研究也报告了帕金森病患者维生素硫胺素和叶酸水平的下降。对小鼠模型给予低叶酸饮食导致了与帕金森病相同的运动症状的发展,伴随着同型半胱氨酸水平的增加,这表明叶酸间接影响多巴胺能神经功能和多巴胺能神经元细胞的死亡。因此,以前有证据表明叶酸缺乏是帕金森病高同型半胱氨酸血症的主要决定因素,可能是因为同型半胱氨酸的分解可以通过其再甲基化,在依赖叶酸代谢和维生素B12的反应中转化为蛋氨酸。或者,同型半胱氨酸代谢的途径可以通过半胱氨酸的转硫作用来实现。高同型半胱氨酸血症被认为是动脉粥样硬化、认知障碍和神经病发展的危险因素。同型半胱氨酸血浆水平的适度增加也与内皮功能障碍有关。以前的一项研究旨在了解急性左旋多巴摄入对帕金森病患者同型半胱氨酸水平的影响,该研究显示左旋多巴代谢(通过摄入后的药物吸收来衡量)是影响同型半胱氨酸水平的重要因素。长期左旋多巴的摄入增加了血浆同型半胱氨酸水平,左旋多巴O-甲基化为3-O-甲基多巴,并通过甲硫氨酸/腺苷甲硫氨酸的甲基供体产生同型半胱氨酸。同型半胱氨酸水平的增加可能会加重帕金森病的进展。因此,建议补充维生素(如叶酸)以补充左旋多巴治疗。
此外,肠道菌群模型显示帕金森病患者的吲哚和色氨酸水平增加。我们预测A. muciniphilaA. ihumii A. shahiiC. gastranaerophilales的丰度显著增加,有助于吲哚浓度的增加,吲哚可转化为IPA。血清代谢组学分析显示帕金森病患者的IPA显著增加。IPA具有在胃肠道和外周的抗炎特性。我们的结果显示,在向促炎环境发展的帕金森病的病理生理学中,IPA的增加与胃肠道的功能含义不同。进一步的研究需要基础来理解这种差异。肠道微生物菌群或许会进化来弥补肠道稳态的破坏以及限制炎症,这可以通过对PD中肠道微生物的纵向研究来揭示。鉴于二甲双胍等帕金森病药物被认为会影响肠道微生物群,这对于单个药物与微生物群的相互作用也很重要。考虑到帕金森病患者饮食习惯的补充性未来研究令人感兴趣,因为饮食的适应可以改善胃肠功能障碍和便秘。
通过我们的系统水平分析,我们确定A. muciniphilaErysipelatoclostridiumEubacterium有助于增加色氨酸的产量。此外,我们发现帕金森病患者血清色氨酸甜菜碱水平显著升高。我们还发现帕金森病患者血清马尿酸水平显著升高。此前有报告称,马尿酸在帕金森病患者上背部皮脂的代谢谱中增加,导致帕金森病患者的独特气味。先前的研究已经将马尿酸和IPA与肠道微生物群代谢联系起来。甘氨酸和苯甲酸之间的结合可能源自马尿酸,这是一种可能发生在肝脏、肾脏和肠道中的反应。同样,我们个性化的肠道微生物群落模型显示,帕金森病患者的甘氨酸水平增加;因此,肠道微生物失调和代谢产物水平的变化可能导致马尿酸水平的增加。

个性化肠道微生物群落预测及与帕金森病患者血清代谢组学的联系
顶部:个性化肠道微生物群落代谢模型的预测(PD对比对照)。PD患者微生物代谢物分泌增加(黄色箭头),PD患者微生物代谢物产生减少(绿色箭头)。对主要微生物生产者的代谢物的FBA预测 (紫色箭头)。底部:与对照组相比,PD患者血清样本中代谢物显著增加(红色箭头)和减少(蓝色箭头)。

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       帕金森病(PD)是一种进展性神经系统疾病,且是具有多因素病因的异质性多系统疾病。越来越多的证据将胃肠道与帕金森病联系起来,为诊断和治疗提供了可能性。因此,有必要阐明肠在帕金森病发展和进展中的潜在分子机制,以更好地理解“肠-脑轴”内的双向相互作用。为了阐明这些相互作用,需要进行个体和系统水平的分析。本文通过功能和组成分析以及基因组规模的代谢模型揭示了肠道微生物群在帕金森病中的作用。使用最新改进的人类肠道微生物组目录对PD组和对照组之间肠道微生物丰度变化进行分析,为关键物种生成了GEMs,并结合血清代谢组学数据进行了途径分析以及个体和菌群水平的建模。发现了粘蛋白和宿主聚糖降解的微生物能力与疾病严重程度相关,且肠道菌群代谢模型揭示了细菌对帕金森病叶酸缺乏和高同型半胱氨酸血症的贡献。
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关键词:
半胱氨酸,帕金森病,微生物群,叶酸,肠道,细菌,障碍

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