J. Future Foods | 多組學關聯分析揭示帕金森病的發(fā)病機制及藥食植物肉蓯蓉的作用機制

本文系Journal of Future Foods原創(chuàng)編譯，歡迎分享，轉載請授權

Introduction

帕金森病（PD）是一種慢性進行性神經退行性疾病，其特征是運動障礙和非運動障礙，如認知和自主神經功能障礙。肉蓯蓉是一種在中國藥典中記載的著名藥物，其民間應用可以追溯到中國第一部藥典《神農本草經》。由于其高藥用價值，它也被描述為“沙漠人參”。多組學數據是指多個“組學”的系統(tǒng)范圍數據，用于加強我們對生物系統(tǒng)的分子理解，并深入了解不同組學數據層之間的關鍵關聯。因此，多組學技術可以用于說明生物機制和驗證神經精神疾病。在這項研究中，提出了一種綜合的多組學策略，用于闡明肉蓯蓉緩解PD的科學依據。

Results

肉蓯蓉可減輕1-甲基-4-苯基-1,2,3,6-四氫吡啶（MPTP）誘導的小鼠運動功能障礙和多巴胺神經元損失

研究發(fā)現，不同組別小鼠的結腸組織外觀存在顯著差異，表明疾病進展在不同組別中存在差異（圖1B）。圖1A的結果表明，與對照組相比，MPTP中毒小鼠的曠場活動和總距離顯著減少，而肉蓯蓉的給藥可以顯著改善這一現象。此外，還評估了肉蓯蓉對MPTP中毒引起的運動協(xié)調性、平衡能力和運動遲緩的影響。在爬桿實驗中，MPTP小鼠在轉頭和在桿上花費的總時間都更長，而肉蓯蓉處理可以改善這些指標（圖1A）。在轉棒實驗中，MPTP的給藥延長了小鼠在轉棒裝置上的停留時間，而肉蓯蓉可以縮短這一時間。總而言之，肉蓯蓉可以減輕MPTP誘導的運動功能障礙。

圖1 肉蓯蓉對PD模型小鼠的行為測試（A）和結腸長度（B）的影響、用TH染色的多巴胺能神經元的代表性顯微照片及各組TH陽性細胞的定量（10×）（C）和不同組別結腸上皮中緊密連接蛋白ZO-1、occludin和claudin-1的位置和表達情況（D）

血清代謝組學研究肉蓯蓉的PD小鼠

結果顯示，在正（圖2A）和負（圖2B）模式下，研究中的所有樣品均未出現離群值。同時，PCA結果表明，個體被明顯地分為3 個不同的簇，表明PD和肉蓯蓉導致了不同的代謝物。基于VIP評分和

P

圖2 所有分析樣本的PCA評分圖（A、B）、差異代謝物火山圖（C～F）、基于代謝物豐度譜相似性的動態(tài)表達模式（G）、PD治療的通路富集分析（H、I）和差異代謝物的熱圖（J、K）

表1 基于超高效液相色譜-串聯質譜法的潛在生物標志物的鑒定

差異腸道菌群的鑒定和功能注釋

在所有樣品中，共獲得6 340 個OTU。根據OTU物種注釋結果，對10 個優(yōu)勢相對豐度的細菌進行了分析。圖3A、B顯示了門和屬水平細菌的豐度。根據門的分類結果，厚壁菌門、擬桿菌門和變形菌門是3 組小鼠中的優(yōu)勢菌門。同時，與對照組相比，模型組中厚壁菌門的相對豐度顯著增加，而變形菌門減少。特別是，進行了Upset圖和Venn圖分析，以鑒定獨特的和共同的OTU。在所有OTU中，469 個OTU為3 組共有，166、177、67 個OTU分別為對照組、模型組和Cist組所獨有（圖3C、D）。同時，基于Bray-Curtis距離的PCoA和系統(tǒng)發(fā)育樹分析（圖3E、F），組間距離高于組內距離。各組之間，腸道菌群組成特征明顯分離。為了鑒定屬水平上顯著的差異分類單元，利用LEfSe分析，設置LDA評分>2（圖3G-H）。其中，正的LDA評分表示與對照組相比，模型組中微生物豐度增加，而負的LDA評分表示對照組樣品中富集的生物標記特征。

圖3 通過16S rRNA測序在3 組中的物種分布直方圖（A、B）、UpSet圖（C），韋恩圖（D），PCoA（E）及HCA（F）在OTU水平上比較3 組之間的差異、組間腸道微生物群差異（G、H）、3 組之間不同腸道微生物群的熱圖（I）和生物標志物代謝物的趨勢變化（J）

差異代謝物和微生物的相關性分析

進行相關系數計算、矩陣熱圖和相關網絡分析，以探討擾動腸道微生物屬與改變的代謝物之間的相關性（圖4）。此外，還進行了代謝物-微生物相關網絡分析，以進一步闡明這些代謝物和微生物生物標志物之間的關系（圖4B）。

圖4 腸道微生物屬與差異代謝物之間的相關性熱圖（A）和基于相關性分析的基因-微生物通路相互作用網絡圖（B）

通過轉錄組學分析驗證結果

結果表明，3 組共有12 406 個基因，對照組、模型組和Cist組分別有46、60、100 個基因是獨有的（圖5A）。由圖5B～D可知，與對照組相比，模型組中有24 個基因明顯上調，14個基因顯著下調（基因集1）。同時，與模型組相比，肉蓯蓉處理后有119 個基因明顯上調，107 個基因顯著下調（基因集2）。通過對這2 個DEGs數據集進行交集，16 個代謝物（基因集3；圖5E）在對照組、模型組和Cist組之間表現出相反的趨勢。

圖5 3 組之間的基因水平維恩圖（A）、對照組與模型組及Cist組與模型組之間DEGs直方圖（B）、差異代謝物的火山圖（C、D）和潛在的生物標志物（E）

PPI網絡的結果（圖6A）由233 個節(jié)點和109 條具有高置信度的邊組成。如圖6B所示，本研究可視化了前30 個節(jié)點基因。基因富集在與核苷酸代謝、氨基酸代謝、輔因子和維生素代謝、碳水化合物代謝等相關的通路中（圖6C、D）。

圖6 基于對照組、模型組和Cist組中具有相反趨勢的基因構建的PPI網絡（A、B）和KEGG富集分析（C、D）

Conclusion

本研究利用MPTP誘導的PD模型，結合代謝組學和16S rRNA基因測序分析，闡明了肉蓯蓉抗PD的機制。為了理解差異代謝物的調控，建立了代謝組學分析。對照組與模型組以及模型組與Cist組之間共篩選出159、84 個差異代謝物，這些篩選基于VIP評分和P值。有趣的是，分別在正負模型中篩選出18、19 個呈相反趨勢的差異代謝物。代謝通路分析顯示，有12 條通路與PD相關，包括甘油磷脂代謝、嘧啶代謝、纈氨酸、亮氨酸和異亮氨酸的降解、纈氨酸、亮氨酸和異亮氨酸的生物合成等。根據16S rRNA基因測序分析，3 組共有469 個OTU，對照組、模型組和Cist組分別有166、177、67 個OTU是獨有的。在對照組與模型組以及模型組與Cist組之間識別出16個差異屬。最后，通過轉錄組學分析進一步驗證了研究結果。總而言之，研究表明PD與代謝和微生物失調有關。同時，研究也表明肉蓯蓉可以通過調節(jié)腸道菌群改善PD的代謝紊亂。最重要的是，本研究提供了一種闡明PD機制的方法，對未來多種疾病的藥物發(fā)現具有啟示意義。

本研究存在2 個主要局限性，需要進一步討論。首先，研究僅觀察了MPTP誘導小鼠腸道菌群-腸腦軸的特征，而未探討其縱向變化。此外，這些發(fā)現尚未在PD患者中得到證實。此外，多組學研究最終揭示了與PD患者及其肉蓯蓉改善作用密切相關的通路，例如氨基酸代謝通路。然而，并未對此進行進一步的機制研究。在未來的研究中，計劃進行更深入的機制研究，以解決這些局限性。

Multi-omics association analysis reveals the pathogenesis of Parkinson's disease and the treatment mechanisms of a medicinal and food plant: Cistanches Herba

Guoxue Zhua1, Wang Wangb1, Yuwen Wangc, Wei Lid, Shilin Yib, Kai Wangb, Lu Fanb, Xinyu Lub, Juanjuan Tangb, Ruini Chenb

a

Department of Neurology, Nanjing Hospital of Chinese Medicine affiliated to Nanjing University of Chinese Medicine, Nanjing University of Chinese Medicine, Nanjing 210022, China

b

School of Medicine, Nanjing University of Chinese Medicine, Nanjing 210023, China

c

The sixth outpatient deperment, Jinling Hospital, Nanjing 210002, China

School of Chinese Medicine, Nanjing University of Chinese Medicine, Nanjing 210023, China

1

These authors contributed equally to this work.

*Corresponding authors.

Abstract

Parkinson's disease (PD) is a progressive neurodegenerative disorder affecting movement, with no treatments currently available to halt or slow its progression. Therefore, the development of new anti-PD drugs is urgently needed. As a kind of medicine and food homologous plant, Cistanches Herba has a promising future for the treatment of PD. In this study, a 1-methyl-4-phenyl-1,2,3,6-tetrahydropy ridine (MPTP)-induced PD mouse model was used to detect Cistanches Herba's anti-PD effects via histopathology and molecular biology. Simultaneously, the effect of Cistanches Herba on the "gut microbiota-barrier axis" was assessed through gut microbiota and intestinal barrier function in mice. Finally, transcriptomics analysis was conducted to further verify the results. As a result, 37 differential metabolites and 16 microbial genera were screened and tentatively identified. Thirty-two metabolites and sixteen microbial genera were simultaneously altered with opposing trends in variation after MPTP and Cistanches Herba treatments. We built a framework for predicting targets and hostmicrobe interaction mechanisms, as well as identifying alternative treatment for PD, which should be validated further for clinical application. In conclusion, Cistanches Herba exerts a protective effect against the development of PD by manipulating the structural feature of intestinal flora to influence the host metabolites.

Reference:

ZHU G X, WANG W, WANG Y W, et al. Multi-omics association analysis reveals the pathogenesis of Parkinson's disease and the treatment mechanisms of a medicinal and food plant: Cistanches Herba[J]. Journal of Future Foods, 2026, 6(1): 143-159. DOI:10.1016/j.jfutfo.2024.08.014.

翻譯：管勤昊（實習）

編輯：龔藝；責任編輯：梁安琪

封面圖片來源：攝圖網

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