J. Future Foods | 多组学关联分析揭示帕金森病的发病机制及药食植物肉苁蓉的作用机制

本文系Journal of Future Foods原创编译，欢迎分享，转载请授权

Introduction

帕金森病（PD）是一种慢性进行性神经退行性疾病，其特征是运动障碍和非运动障碍，如认知和自主神经功能障碍。肉苁蓉是一种在中国药典中记载的著名药物，其民间应用可以追溯到中国第一部药典《神农本草经》。由于其高药用价值，它也被描述为“沙漠人参”。多组学数据是指多个“组学”的系统范围数据，用于加强我们对生物系统的分子理解，并深入了解不同组学数据层之间的关键关联。因此，多组学技术可以用于说明生物机制和验证神经精神疾病。在这项研究中，提出了一种综合的多组学策略，用于阐明肉苁蓉缓解PD的科学依据。

Results

肉苁蓉可减轻1-甲基-4-苯基-1,2,3,6-四氢吡啶（MPTP）诱导的小鼠运动功能障碍和多巴胺神经元损失

研究发现，不同组别小鼠的结肠组织外观存在显著差异，表明疾病进展在不同组别中存在差异（图1B）。图1A的结果表明，与对照组相比，MPTP中毒小鼠的旷场活动和总距离显著减少，而肉苁蓉的给药可以显著改善这一现象。此外，还评估了肉苁蓉对MPTP中毒引起的运动协调性、平衡能力和运动迟缓的影响。在爬杆实验中，MPTP小鼠在转头和在杆上花费的总时间都更长，而肉苁蓉处理可以改善这些指标（图1A）。在转棒实验中，MPTP的给药延长了小鼠在转棒装置上的停留时间，而肉苁蓉可以缩短这一时间。总而言之，肉苁蓉可以减轻MPTP诱导的运动功能障碍。

图1 肉苁蓉对PD模型小鼠的行为测试（A）和结肠长度（B）的影响、用TH染色的多巴胺能神经元的代表性显微照片及各组TH阳性细胞的定量（10×）（C）和不同组别结肠上皮中紧密连接蛋白ZO-1、occludin和claudin-1的位置和表达情况（D）

血清代谢组学研究肉苁蓉的PD小鼠

结果显示，在正（图2A）和负（图2B）模式下，研究中的所有样品均未出现离群值。同时，PCA结果表明，个体被明显地分为3 个不同的簇，表明PD和肉苁蓉导致了不同的代谢物。基于VIP评分和

P

图2 所有分析样本的PCA评分图（A、B）、差异代谢物火山图（C～F）、基于代谢物丰度谱相似性的动态表达模式（G）、PD治疗的通路富集分析（H、I）和差异代谢物的热图（J、K）

表1 基于超高效液相色谱-串联质谱法的潜在生物标志物的鉴定

差异肠道菌群的鉴定和功能注释

在所有样品中，共获得6 340 个OTU。根据OTU物种注释结果，对10 个优势相对丰度的细菌进行了分析。图3A、B显示了门和属水平细菌的丰度。根据门的分类结果，厚壁菌门、拟杆菌门和变形菌门是3 组小鼠中的优势菌门。同时，与对照组相比，模型组中厚壁菌门的相对丰度显著增加，而变形菌门减少。特别是，进行了Upset图和Venn图分析，以鉴定独特的和共同的OTU。在所有OTU中，469 个OTU为3 组共有，166、177、67 个OTU分别为对照组、模型组和Cist组所独有（图3C、D）。同时，基于Bray-Curtis距离的PCoA和系统发育树分析（图3E、F），组间距离高于组内距离。各组之间，肠道菌群组成特征明显分离。为了鉴定属水平上显著的差异分类单元，利用LEfSe分析，设置LDA评分>2（图3G-H）。其中，正的LDA评分表示与对照组相比，模型组中微生物丰度增加，而负的LDA评分表示对照组样品中富集的生物标记特征。

图3 通过16S rRNA测序在3 组中的物种分布直方图（A、B）、UpSet图（C），韦恩图（D），PCoA（E）及HCA（F）在OTU水平上比较3 组之间的差异、组间肠道微生物群差异（G、H）、3 组之间不同肠道微生物群的热图（I）和生物标志物代谢物的趋势变化（J）

差异代谢物和微生物的相关性分析

进行相关系数计算、矩阵热图和相关网络分析，以探讨扰动肠道微生物属与改变的代谢物之间的相关性（图4）。此外，还进行了代谢物-微生物相关网络分析，以进一步阐明这些代谢物和微生物生物标志物之间的关系（图4B）。

图4 肠道微生物属与差异代谢物之间的相关性热图（A）和基于相关性分析的基因-微生物通路相互作用网络图（B）

通过转录组学分析验证结果

结果表明，3 组共有12 406 个基因，对照组、模型组和Cist组分别有46、60、100 个基因是独有的（图5A）。由图5B～D可知，与对照组相比，模型组中有24 个基因明显上调，14个基因显著下调（基因集1）。同时，与模型组相比，肉苁蓉处理后有119 个基因明显上调，107 个基因显著下调（基因集2）。通过对这2 个DEGs数据集进行交集，16 个代谢物（基因集3；图5E）在对照组、模型组和Cist组之间表现出相反的趋势。

图5 3 组之间的基因水平维恩图（A）、对照组与模型组及Cist组与模型组之间DEGs直方图（B）、差异代谢物的火山图（C、D）和潜在的生物标志物（E）

PPI网络的结果（图6A）由233 个节点和109 条具有高置信度的边组成。如图6B所示，本研究可视化了前30 个节点基因。基因富集在与核苷酸代谢、氨基酸代谢、辅因子和维生素代谢、碳水化合物代谢等相关的通路中（图6C、D）。

图6 基于对照组、模型组和Cist组中具有相反趋势的基因构建的PPI网络（A、B）和KEGG富集分析（C、D）

Conclusion

本研究利用MPTP诱导的PD模型，结合代谢组学和16S rRNA基因测序分析，阐明了肉苁蓉抗PD的机制。为了理解差异代谢物的调控，建立了代谢组学分析。对照组与模型组以及模型组与Cist组之间共筛选出159、84 个差异代谢物，这些筛选基于VIP评分和P值。有趣的是，分别在正负模型中筛选出18、19 个呈相反趋势的差异代谢物。代谢通路分析显示，有12 条通路与PD相关，包括甘油磷脂代谢、嘧啶代谢、缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸的降解、缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸的生物合成等。根据16S rRNA基因测序分析，3 组共有469 个OTU，对照组、模型组和Cist组分别有166、177、67 个OTU是独有的。在对照组与模型组以及模型组与Cist组之间识别出16个差异属。最后，通过转录组学分析进一步验证了研究结果。总而言之，研究表明PD与代谢和微生物失调有关。同时，研究也表明肉苁蓉可以通过调节肠道菌群改善PD的代谢紊乱。最重要的是，本研究提供了一种阐明PD机制的方法，对未来多种疾病的药物发现具有启示意义。

本研究存在2 个主要局限性，需要进一步讨论。首先，研究仅观察了MPTP诱导小鼠肠道菌群-肠脑轴的特征，而未探讨其纵向变化。此外，这些发现尚未在PD患者中得到证实。此外，多组学研究最终揭示了与PD患者及其肉苁蓉改善作用密切相关的通路，例如氨基酸代谢通路。然而，并未对此进行进一步的机制研究。在未来的研究中，计划进行更深入的机制研究，以解决这些局限性。

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.

翻译：管勤昊（实习）

编辑：龚艺；责任编辑：梁安琪

封面图片来源：摄图网

J. Future Foods | 用GC×GC-TOF MS构建麦芽威士忌新酒的感官词典J. Future Foods | 1-甲基环丙烯对北虫草贮藏品质的影响

J. Future Foods | 基于代谢组学结合网络药理学探究酸枣仁治疗失眠的活性成分及机制