Integrierte Analyse von Mikrobiom- und Transkriptomdaten zur Entschlüsselung des dynamischen Zusammenspiels zwischen Wirt und mikrobiellen Gemeinschaften

Im Bestreben, das komplexe Zusammenspiel zwischen Organismen und ihrer Umwelt zu verstehen, haben Forscher zunehmend ihr Augenmerk auf die gemeinsame Untersuchung von Transkriptomen und Mikrobiomen gerichtet. Dieser innovative Ansatz zielt darauf ab, die dynamischen Beziehungen zwischen Wirtorganismen und den vielfältigen mikrobiellen Gemeinschaften, die in ihnen leben, zu beleuchten. Durch die Integration Transkriptomik und Mikrobiom Durch Analysen sind Wissenschaftler jetzt in der Lage, die molekularen Mechanismen zu erforschen, die diesen Interaktionen zugrunde liegen, was zu bahnbrechenden Entdeckungen in verschiedenen Bereichen führt, von Gesundheit und Krankheit bis hin zu Ökologie und darüber hinaus.

Integration verschiedener Methoden und Omics-Datensätze. (Bisht ET AL., 2021)

Wie führt man eine gemeinsame Analyse von Transkriptom und Mikrobiom durch?

Die Durchführung gemeinsamer Forschungen zum Transkriptom und Mikrobiom umfasst die Untersuchung der intrinsischen Regulationsmechanismen des Phänotyps sowohl aus der Perspektive der Wirtsgene als auch der bakteriellen Gemeinschaft. Das Transkriptom konzentriert sich hauptsächlich auf differentiell exprimierte Gene und funktionale Wege auf der Ebene der Wirtsgene, während das Mikrobiom sich darauf fokussiert, die Auswirkungen von Veränderungen im Phänotyp/Gesundheitszustand des Wirts auf das Gleichgewicht der bakteriellen Gemeinschaft und umgekehrt zu analysieren. Durch die Kombination dieser Ansätze kann die Beziehung zwischen dem Phänotyp des Wirts und dem Mikrobiom umfassend untersucht werden.

Aufmerksamkeitspunkte für gemeinsame Transkriptom- und Mikrobiomforschung:

• Probenwahl: Wählen Sie geeignete Proben basierend auf den Forschungszielen aus. Für die Mikrobiomforschung sollten Sie die mikrobielle Vielfalt berücksichtigen, was zu einer umfangreicheren Probenwahl führt. Für die Makrogenomforschung sollten Sie Proben mit geringerem Wirtsgehalt wählen, um die Wirtsinterferenz zu minimieren und die Datenqualität sicherzustellen.
• Biologische Replikate: Um zuverlässige Ergebnisse zu erzielen, verwenden Sie eine ausreichende Anzahl von Proben sowohl in der Transkriptom- als auch in der Mikrobiom-Analyse. Streben Sie mindestens 3-5 Proben pro Gruppe für jede Analyse an. Wenn Sie eine histologische Assoziationsanalyse durchführen, halten Sie eine Eins-zu-eins-Korrespondenz zwischen Transkriptom- und Mikrobiom-Proben aufrecht, wobei die gleiche Anzahl von Proben in jeder Gruppe sichergestellt wird (≥30 Fälle/Gruppe für klinische Proben und ≥15 Fälle/Gruppe für WGCNA-Analysen).
• Probenkonservierung: Wenn dasselbe Sample sowohl für Transkriptom- als auch für Mikrobiomstudien verwendet wird, teilen Sie das Sample in zwei Teile und lagern Sie diese bei -80 °C. Für wertvolle Proben ist es ratsam, eine Backup-Probe für zukünftige Referenzen aufzubewahren.

In der gemeinsamen Forschung ist es auch entscheidend, differentielle exprimierte Gene/funktionale Wege mit spezifischen bakteriellen Flora zu korrelieren, um Schlüsselmikroorganismen zu identifizieren, die die Genexpression des Wirts regulieren, oder Schlüsselwirtegene, die das Gleichgewicht der Schlüsselflora beeinflussen. Um ursächliche Beziehungen zwischen Wirtsgenen und Flora herzustellen, können Experimente wie die Fäkalienmikrobiota-Transplantation (FMT) durchgeführt werden. Durch die Befolgung dieser Richtlinien können Forscher wertvolle Einblicke in die komplexen Wechselwirkungen zwischen dem Transkriptom, Mikrobiom und dem Phänotyp/Gesundheitsstatus des Wirts gewinnen.

Untersuchung der neurobehavioralen Toxizität bei Fischen, die durch Mikro-/Nanoplastik induziert wird

Die neurobehaviorale Toxizität, die durch Mikro-/Nanoplastik bei Fischen induziert wird, Ctenopharyngodon idellus, wurde aus der Perspektive der "Darm-Hirn-Achse" untersucht. Die mikrobielle Diversitätssequenzierung des Fischdarms zeigte Veränderungen in potenziell neurotransmitter-sezernierenden Arten, mit einer erhöhten Häufigkeit von Clostridia und Bacillus in Anwesenheit von Nanopartikeln (NPs) und einer verringerten Häufigkeit in Anwesenheit von Mikrofasern (MFs). Die Transkriptomsequenzierung von Fischhirngewebe identifizierte angereicherte Wege, die mit neuroaktiven Ligand-Rezeptor-Interaktionen und 5-Hydroxytryptaminergen Synapsen in beiden Gruppen (NPs und MFs) in Verbindung stehen, während dopaminergische synaptische Wege nur in der MFs-Gruppe angereichert waren. Diese Ergebnisse deuten auf einen neuartigen Neurotransmittermechanismus hin, durch den Mikro-/Nanoplastikverunreinigungen Verhaltensgiftigkeit über die Darm-Hirn-Mikrobiota-Achse induzieren können, ohne eine gemeinsame histologische Analyse einzubeziehen.

Vergleichende Analyse von Wurzeltranskriptomen und Mikrobiomen in salztolerantem Weizen

Forscher präsentieren einen umfassenden Vergleich der Wurzeltranskriptome und Mikrobiome zwischen der salztoleranten Weizen-Introgressionslinie SR4 (abgeleitet aus einem somatischen Kreuz zwischen Weizen und Schwingel) und ihrer elterlichen Weizensorte JN177. Die Studie hatte zum Ziel, die Mechanismen der Genexpressionsregulation im Zusammenhang mit der mikrobiellen Architektur der Wurzeln in JN177 und SR4 zu verstehen. Durch die gemeinsame Analyse von Transkriptom- und mikrobiellen Diversitätsdaten wurden Co-Expressionsmodule in normalen und salzhaltigen Böden mithilfe der gewichteten Gen-Co-Expressionsnetzwerkanalyse (WGCNA) identifiziert. Die Hub-Gene innerhalb dieser Module wurden ebenfalls charakterisiert. Darüber hinaus untersuchte der Artikel die Beziehung zwischen charakteristischen Genwerten der Module und verschiedenen angereicherten mikrobiellen Taxa. Zudem wurden Gene identifiziert, die das Wurzelmikrobiom von Weizen unter salzhaltigem Stress regulieren.

Mikrobielle Vielfalt und Transkriptomanalyse in der kolorektalen Mukosa von CF-Patienten

Forscher untersuchten Veränderungen in der Genexpression und der Flora-Zusammensetzung in der kolorektalen Mukosa von Patienten mit Mukoviszidose (CF) unter Verwendung von mikrobieller Diversität und Transkriptom-Sequenzierung. Durch die Analyse der Wirt-Mikrobe-Interaktionen deutete die Studie darauf hin, dass diese Interaktionen eine entscheidende Rolle in der Pathogenese von CF-Krebs im Dickdarm spielen könnten. Die Untersuchung nutzte Korrelationsheatmaps, Korrelationsnetzdiagramme und andere Methoden, um die Zusammenhänge zwischen Genexpression und mikrobieller Zusammensetzung zu verstehen. Diese Ergebnisse bieten potenzielle Biomarker zur Vorhersage des Risikos für kolorektalen Krebs bei CF-Patienten.

Referenzen:

1. Bisht, Vartika, et al. "Integration von Mikrobiom-, Metabolom- und Transkriptomdaten identifizierte neuartige Regulationswege des Stoffwechsels bei Kolorektalkrebs." Internationale Zeitschrift für Molekularwissenschaften 22.11 (2021): 5763.
2. Fyhrquist, Nanna, et al. "Mikrobe-Wirt-Interaktion bei atopischer Dermatitis und Psoriasis." Naturkommunikationen 10.1 (2019): 4703.
3. Hou, Shiji, et al. "Ein Mikrobiota-Wurzel-Spross-Kreis begünstigt das Wachstum von Arabidopsis gegenüber der Abwehr bei suboptimalem Licht." Natur Pflanzen 7.8 (2021): 1078-1092.