Parkinson hastalığı demansı ile bağırsak mikrobiyotasındaki akkermansia genomik çeşitliliği arasındaki ilişkinin incelenmesi

Abstract

Parkinson hastalığında (PH), genellikle sağlıkla ilişkilendirilen bir bakteri cinsi olan Akkermansia’nın bağırsak mikrobiyotasında artış gösterdiği bilinse de bu artışın nedeni tam olarak anlaşılamamıştır. Bu çalışmada Türkiye’deki PH hastalarında, bağırsak mikrobiyotasındaki muhtemel Akkermansia değişimlerinin belirlenmesi amaçlanmıştır. Bu amaçla, ilk kez shotgun metagenomik ve Akkermansia cinsine özgül bir yeni nesil dizileme (NGS) tekniği kullanılarak PH’de bilişsel bozukluk evreleriyle ilişkili olabilecek belirli Akkermansia suşlarının varlığı ve bu suşlarda bulunan potansiyel genler incelenmiştir. Bu kapsamda Türkiye’de toplanmış dört bağırsak mikrobiyotası örneği -üç demanslı PH (PHD) ve bir bilişsel bozukluğu olmayan sağlıklı kontrol (SK)- shotgun metagenomik dizileme yoluyla analiz edilmiş ve örneklerdeki Akkermansia cinsine ait genomlar yeniden inşa edilmiştir. Bu genomlar, veri tabanlarındaki Akkermansia cinsine ait genomlarla bir araya getirilerek özel bir veri tabanı oluşturulmuş ve Akkermansia cinsine özgül NGS uyumlu primerler bu veri tabanı kullanılarak tasarlanmıştır. Hedef gen bölgesinin çoğaltılması ve cins özgül yeni nesil dizileme için kütüphane hazırlama basamaklarının optimize edilmesinden sonra, 64 PH hastası [32 PHD ve 32 hafif bilişsel bozukluk gösteren PH (PH-MCI)] ile 26 SK’ye ait bağırsak mikrobiyotası örnekleri cins özgül amplikon dizileme ile analiz edilmiştir. Analizler sonucunda, bağırsak mikrobiyotası örneklerinde Akkermansia muciniphila türüne ait oldukları belirlenen yedi suşun varlığı tespit edilmiş ve iki suşun demanslı (PHD) ve demansı olmayan (PH-MCI, HC) gruplar arasındaki dağılımının anlamlı farklılık gösterdiği (p< 0.05) belirlenmiştir. Tespit edilen suşlara ait genomların gen içerikleri, karşılaştırmalı genomik analizler yoluyla incelediğinde yalnızca dağılımı demanslı ve demansı olmayan gruplar arasında anlamlı farklılık gösteren iki suşta bulunan 12 genin varlığı tahmin edilmiştir. Bu genlerin annotasyonları yapıldığında ise daha önce rapor edilmemiş ve işlevi bilinmeyen genler oldukları görülmüştür. Bu çalışmada, ilk kez Türkiye’de toplanmış PH hastalarına ait bağırsak mikrobiyotası örneklerinin shotgun metagenomik analizleri gerçekleştirilmiş, özel olarak Akkermansia cinsinin analizi için cins-özgül bir amplikon dizileme yöntemi geliştirilmiş ve bu yöntem kullanılarak PH’de bilişsel bozukluk evreleriyle ile ilişkili olabilecek Akkermansia suşları ve genleri tespit edilmiştir. Elde edilen sonuçlar, tür ya da suş düzeyindeki farklılıkların araştırılmasının, bağırsak mikrobiyotasındaki PH ile ilişkili değişimlerin daha iyi anlaşılmasına yardımcı olabileceğine işaret etmektedir.Although it is known that the relative abundance of Akkermansia, a bacterial genus commonly associated with health, increases in the gut microbiota of Parkinson's disease (PD) patients, the exact reason for this increase remains unclear. This study was aimed to identify potential changes in Akkermansia within the gut microbiota of PD patients in Türkiye. For this purpose, shotgun metagenomics and a novel Akkermansia genus-specific amplicon sequencing technique was used to investigate the presence of specific Akkermansia strains associated with cognitive impairment (CI) stages in PD and to examine potential genes within these strains. In this context, four gut microbiota samples from Türkiye -three PD with dementia (PDD) and one healthy control without CI (HC)- were analyzed by shotgun metagenomics and metagenome-assembled genomes assigned to Akkermansia genus were reconstructed. Then, a custom database was created by combining these genomes with the Akkermansia genomes in public databases and next generation sequencing (NGS) compatible primers specific to the genus Akkermansia were designed using this database. After optimization of amplification and library preparation steps for genus-specific next generation sequencing, gut microbiota samples from 64 PD patients [32 PDD and 32 PD with mild CI (PD-MCI)] and 26 HCs were analyzed by genus-specific amplicon sequencing. The results revealed the presence of seven strains assigned to Akkermansia muciniphila in gut microbiota samples, two of which showed significant distribution differences (p< 0.05) between demented (PDD) and non-demented groups (PD-MCI, HC). When gene contents of the detected Akkermansia genomes were examined through comparative genomic analysis, the presence of 12 genes only in Akkermansia genomes specific to non-demented groups were predicted. The annotations of these genes showed that they were not reported before with unknown functions. In this study, for the first time, gut microbiota samples from PD patients in Türkiye were analyzed using shotgun metagenomics, a novel genus-specific amplicon sequencing method was developed specifically for the analysis of Akkermansia genus, and then Akkermansia strains and genes potentially associated with CI stages in PD were identified using this method. The results underscore that investigating the species or strain level differences could help better understanding of the changes associated with PD in the human gut microbiota.