核心提示：微生物组组成和功能的不平衡(失活)会使宿主容易患病。人类和动物模型的研究显示，在一系列常见的代谢性(如糖尿病)、炎症性(炎症性肠病)、神经逻辑性(帕金森病)和发育障碍(自闭症)中，与疾病有关的失调。

  微生物群对人类健康是必要的。肠道微生物组对饮食代谢有帮助，产生基本的代谢物，如维生素，维持肠道屏障的完整性，抑制病原体，并代谢药物和毒物。肠道微生物调节剂通过产生特定的代谢物，如大脑中小胶质细胞的成熟和维持，对宿主的免疫反应和神经系统进行发展和持续教育。微生物组组成和功能的不平衡(失活)会使宿主容易患病。人类和动物模型的研究显示，在一系列常见的代谢性(如糖尿病)、炎症性(炎症性肠病)、神经逻辑性(帕金森病)和发育障碍(自闭症)中，与疾病有关的失调。

  帕金森病(PD)是一种逐渐衰弱的疾病，在2005年影响了400万个人，预计到2030年将增加一倍，达到870万人。尽管历史上PD被定义为一种运动障碍，但它是一种多系统的疾病。最早的标志往往是便秘，它可以比运动标志早几十年。此外，PD在病因上是异质的。尽管发现了几个致病基因，但有90个易感位点横跨在人类基因组和多种环境风险因素中，绝大多数PD仍然是特有病。据推测，PD是由遗传易感性和环境触发因素的各种组合引起的，尽管还没有发现因果关系的组合。

  PD和胃肠道(GI)系统之间的联系，包括便秘、肠道屏障受损和炎症，早已确立。在PD患者的肠道中，早期阶段已经检测到阿尔法-核素的病理变化，而且有影像学研究证据表明，在某些情况下，病理变化可能从肠道开始并扩散到大脑。在小鼠中，有研究表明注入肠道的阿尔法-核素纤维素会诱发从肠道向大脑扩散的阿尔法-核素病理，而迷走神经切断术会阻止其传播。同时，大型流行病学研究表明，几十年前接受完全截断性迷走术的人，晚年PD的发病率大幅降低。

  随着越来越多的证据表明肠道是PD的起源，以及新近获得的对慢性病中肠道微生物组参与的赞赏，人们对解码肠道微生物组和PD之间的联系越来越感兴趣。在过度表达人类阿尔法-核素基因的小鼠中，作者已经表明，肠道微生物组调节阿尔法-核素介导的病理生理学。作者已经检测到PD17患者的肠道微生物组中存在大量的机会主义病原体。实验和人类研究共同支持Braak的假设，即肠道感染可能作为PD的触发事件，但人类肠道中的病原体导致PD，这一点还没有被证明。对人体粪便样本进行的研究都发现了PD肠道微生物组失调的证据，但对驱动失调的特定微生物的结果却参差不齐。人类对PD和微生物组的研究样本量有限，除了221个，22个都是基于16S rRNA基因扩增子测序(以下简称16S)，将分辨率限制在属的水平。宏基因组学(对所有从社区取样的遗传材料的研究)是医学科学的一个新兴领域。有了深度宏基因组测序，现在可以在大规模的人类研究中，以高分辨率的物种和基因来研究微生物组。

  在这里，作者提出了对PD肠道微生物组的大规模宏基因组学分析。这项研究是由一个单一的调查小组(Neuro Genetics Research Consortium, NGRC)设计和执行的，使完全控制能够采用最先进的方法，并确保从头到尾的统一性。作者证实了先前研究的共同发现，将其解决到物种水平，并解决了文献中的不一致问题。此外，由于大样本量和深度测序，作者产生了大量的新信息。作者展示了PD微生物组中广泛的致病性，确定了驱动致病的物种，并通过功能分析，表明了肠道中可能有助于PD机制的微生物基因和途径。

  GI问题是PD的著名特征，在这个队列中很容易显现。便秘在PD病例中更为普遍，PD病例报告的消化道不适比NHC多。与NHC相比，PD病例在所有五个类别(水果/蔬菜、动物产品、坚果、酸奶和谷物)中对酒精和食物的摄入量减少，除了谷物，都达到了显著性。使用松开剂，止痛药，睡眠辅助药，以及对抑郁症/焦虑症/情绪的药物治疗，益生菌补充剂的使用在NHC中比PD更常见，这值得注意，因为正如数据所显示的，双歧杆菌和乳酸菌种是商业益生菌的常见成分，在PD中比NHC宏基因组更丰富。

  图2 通过MaAsLin2和ANCOM-BC的共识提名的PD相关物种。分析包括来自490名PD和234名神经系统健康对照(NHC)受试者的N=724个生物独立样本。(a) 257个物种(图中用圆圈表示)在微生物组关联研究(MWAS)中用两种统计方法进行测试。MaAsLin2和ANCOM-BC。结果根据MaAslin2(Y轴)与ANCOM-BC(X轴)取得的显著性(FDR的−log10)来显示。为了便于解释，X和Y轴上的括号中提供了相应的未转换的FDR值。84个物种被提名为PD相关，一种方法的FDR<0.05，另一种方法的FDR≤0.1：两种方法的FDR<0.05，10个MaAsLin2的ANCOM-BC MaAsLin2 FDR<0.05，ANCOM-BC的FDR≤0.1，6个ANCOM-BC的FDR<0.05，MaAsLin2的FDR≤0.1。蓝色：PD的丰度明显升高。红色：PD中的丰度明显减少。灰色：与PD没有明显的关联。垂直和水平虚线表示X和Y轴上的点，对应于FDR=0.05。 (b,c)维恩图总结了MaAsLin2(虚线圆)和ANCOM-BC(实线圆)在FDR≤0.1(b)和FDR<0.05(c)时检测到的物种重叠情况。

  图3 PD相关物种的差异丰度和效应大小。分析包括来自490名PD和234名神经系统健康对照(NHC)受试者的N=724个生物独立样本。在MaAsLin2中使用的Log2转换的相对丰度值被用来生成箱线图。括号中显示的未转换的相对丰度在X轴上提供，以便于解释数据。箱线图显示了PD(蓝色绿色)和NHC(橙色)的数据分布。每个样本都是根据其物种的丰度来绘制的。每个盒子的左、中、右垂直边界代表数据的第一、第二(中位数)和第三四分位数;也就是说，25%的样本的丰度低于盒子的左边界，25%的样本的丰度高于盒子的右边界。缺少一个盒子表示75%的样品丰度为零。从每个盒子的两端延伸出来的线代表四分位数范围外的1.5倍(范围=(75%时的丰度值减去25%时的丰度值)x 1.5)。线条之外的点是离群的样本。(b)偏差校正的观测丰度分布(用于ANCOM-BC)。这里使用ANCOM-BC中使用的自然对数转换的采样偏差校正的观测丰度来生成boxplots。括号中显示的未经转换的偏差校正的观测丰度，在X轴上提供，以便于解释数据。膨胀图的描述与(a)相同。c PD与NHC的差异丰度的绝对倍数变化(正方形和圆圈)及其95%的置信区间(CI;实线和虚线)，由MaAsLin2(95%CI的实线方形)和ANCOM-BC(95%CI的虚线圆圈)估计的beta和标准误差计算得出。CI被截断在10x。折叠变化和95%CI的点和线被染成蓝色(在PD中升高)或红色(在PD中降低)。

  PD和NHC宏基因组在全球范围内的不同物种分辨率上有所不同

  这项研究的主要目的是对PD肠道微生物组中的生物失调产生一个完整的、没有改变的观点。作者证实了PD与84个物种中的62个物种的关联。32个物种只与PD相关，而其他30个物种与PD和一个或多个其他变量相关，最常见的是酒精(避免PD)或松懈药(经常被PD使用)。

  图4 网络分析揭示了PD元基因组中相关物种的多微生物集群。分析包括490个PD病例的N=490个生物独立样本。每个圆圈(节点)表示一个物种，弧线(边)连接相关的物种。(b) 通过MWAS识别的PD相关物种被映射到网络中，如果在PD中升高，则以蓝色突出显示，如果在PD中降低，则以红色显示。PD相关物种之间的相关性通常为正，表明丰度倾向于一起上升，如大肠杆菌、肺炎克雷伯氏菌和6号簇中的类肺炎克雷伯氏菌，或一起下降，如13号簇中的多糖代谢物种。有时相关性为负值，表明一个物种的丰度增加与另一个物种的减少相关，例如，在2号簇中，PD微生物组中的链球菌物种的上升丰度与其他链球菌物种的丰度下降相关。(c)第17号簇、(d)第2号簇和(e)第8号簇标记在左边，第13号簇在中间，第8号簇在左边，第6号簇在左下方(大肠杆菌和克雷伯氏菌)。对于(c-e)，物种名称周围的方框用颜色表示，以代表其算法定义的集群，(a)

  网络分析显示了共同出现和竞争的物种集群

  作者计算了PD宏基因组使用PD中检测到的所有697个物种的物种丰度的成对相关性(r)，以及NHC宏基因组使用NHC中检测到的所有499个物种的成对相关性。作者观察到整个宏基因组的正相关和负相关，包括PD相关的物种。

  A12(在PD中减少)，这与链球菌的原始特征相一致。A12作为一种新的菌株，抑制了致病性链球菌突变体的生长和信号通路。

  大多数在PD中殆尽的物种，包括产生Roseburia、Eubacterium、Ruminococcus和Faecalibacterium prausnitzii物种的短链脂肪酸(SCFA)都是相互正相关的，并被映射到PD网络的13号群(图4)。此外，产生SCFA的物种丰度的减少与Bifidobacterium物种丰度的增加相关(图4)。这些发现表明，在无生物性的PD微生物组中发生了竞争性的相互作用，无论是在总体上还是在群落规模(双菌种与产生SCFA的物种)，以及物种规模(链球菌)。A12与链球菌突变体)。

  作者注意到有两个集群，其中的物种是已知的引起感染的。这些物种与肠道微生物组是共通的，正如它们在NHC中的存在所显示的那样，但有能力成为机会主义病原体。大肠杆菌、克雷伯氏菌肺炎和准肺炎克雷伯氏菌在PD中被提升，它们呈正相关，并被归入PD网络的第6簇。17号簇是一个由19个机会主义病原体物种组成的多菌群落。作者在之前的数据集中检测到了属级的这些分类群的过度丰富。在物种水平上，只有Porphyromonas asaccharolytica的流行足以被纳入MWAS，而且它被证实在PD中被显著升高。当合在一起时，17号簇中物种的相对丰度在PD中明显升高。不仅这些物种的流行率和丰度在PD中被提升，而且它们在PD宏基因组中也形成了一个紧密相连的多微生物集群，就像它们在临床感染标本中一样，但在NHC宏基因组中没有。在PD中，第17号簇中的每个物种都与一个其他物种的平均数为5.4个，而NHC为1个。

  图5 微生物基因家族和与PD有功能关系的途径。分析包括来自490名PD和234名神经系统健康对照(NHC)受试者的N=724个生物独立样本。总的来说，15%的微生物基因组(KO组)和30%的测试途径(MetaCyc)在PD中被抬高或耗尽，这是两种统计方法(MaAsLin2和ANCOM-BC)在FDR<0.05时从共识中得出的保守估计(补充数据9，10)。这里显示了一些例子，按推断出的与PD的功能相关性进行分组(左图)。数据显示，有助于PD发病机制的微生物活性水平增加(免疫性、alpha-synuclein聚集和有毒代谢物的产生)，保护机制水平降低(抗炎症、神经活性和神经保护分子)。a 相对丰度(用于MaAsLin2)。b 偏差校正的观测丰度(用于ANCOM-BC)。c 由MaAsLin2和ANCOM-BC估计的PD与NHC的折叠变化。Y轴。KO组(标识符以 "K "开头，括号内为基因符号)和途径( PWY ")。X轴。对数2转换的相对丰度(用于MaAsLin2)(a)，或自然对数转换的偏差校正的观测丰度(用于ANCOM-BC)(b)，括号内为未转换的相对丰度，以便于解释;(c)PD与NHC(正方形和圆形)的差异丰度的倍数变化，95%置信区间(CI;实线和虚线)，由MaAsLin2估计的贝塔和标准误差计算得出。(a和b)中的内容。Boxplots显示了PD(蓝色绿色)和NHC(橙色)元基因组中每个KO和途径的频率分布。每个盒子的左、中、右垂直边界代表数据的第一、第二(中位数)和第三四分位数。没有方框表示>75%的样品的丰度为零。从每个盒子的两端延伸出来的线条代表了四分位数范围外的1.5倍(范围=(75%时的丰度值减去25%时的丰度值)x1.5)。线条之外的点是离群的样本。(c)中的内容。PD和NHC在对数转换的相对丰度(用95%CI的实线表示的正方形，MaAsLin2)，或自然对数转换的偏差校正的观测丰度(用95%CI的虚线表示的圆圈，ANCOM-BC)中的折叠变化差异。蓝色：在PD中升高，红色：在PD中降低。LPS: 脂多糖。LTA ： 脂蛋白酸。BLP：肌动蛋白/细菌性脂蛋白。SCFA：短链脂肪酸。TMA：三甲基苯胺。

  作者成功地在属的水平上证实了PD肠道菌群的明显失调，并将其解析到种，包括Blautia、Faecalibacterium、Fusicatenibacter、Roseburia和Ruminococcus，它们在PD中被复现，以及Bifidobacterium、Hungatella、Lactobacillus、Methanobrevibacter和Porphyromonas，它们在PD中增加。在物种水平上，Prevotella copri下降，Prevotella的致病物种(如上面SILVA的定义)作为一个群体增加，证实并解决了Prevotella上看似矛盾的报告。

  微生物基因家族的丰度和代谢途径的改变

  作者确定了8,528个基因家族(KEGG正交组(KO))和511条代谢途径。除去那些存在于<5%的受试者，使用MaAsLin2和ANCOM-BC测试了4,679个KO组和407条代谢途径在PD与NHC中的不同丰度。根据MaAsLin2，50%的KO组和67%的路径在PD中受到影响。根据ANCOM-BC，32%的KO组和55%的路径受到影响。因此，作者估计，在所有检测到的代谢途径中，在PD中有1/3到2/3是失调的。

  作者发现PD宏基因组表明了一种促进疾病的微生物组(富含机会主义病原体和免疫原性成分、调节不良的神经活性信号、大量诱发阿尔法-核素病理学的淀粉样蛋白分子，以及过度生产有毒物质)，恢复能力下降(抗炎和神经保护性分子低)。

  期刊信息：IF: 17.6939

  大类：综合性期刊 1区，小类：综合性期刊 1区

  卷：13，期：2022，号：3653

  DOI: 10.1038/s41467-022-34667-x