本研究由Tao Zhang、Chunyan Zhao、Na Li、Qiuwen He、Guangqi Gao和Zhihong Sun共同完成，研究团队来自内蒙古农业大学的多个重点实验室，包括教育部乳品生物技术与工程重点实验室、农业农村部乳品加工重点实验室等。研究论文题为《Longitudinal and Multi-Kingdom Gut Microbiome Alterations in a Mouse Model of Alzheimer’s Disease》，于2024年10月25日发表在《International Journal of Molecular Sciences》上。

学术背景
阿尔茨海默病（Alzheimer’s Disease, AD）是老年人中最常见的神经退行性疾病，其特征是认知能力的逐渐下降，并伴随大脑中淀粉样蛋白斑块（Aβ plaques）和神经纤维缠结的积累。尽管这些病理特征是AD的主要生物学基础，但目前直接针对这些病理特征的治疗方案非常有限。近年来，越来越多的研究表明，肠道微生物群（gut microbiome）与AD之间存在密切联系，尤其是肠道细菌群（bacteriome）的失调与AD的发病和进展密切相关。然而，肠道微生物群中的非细菌成员，如真菌群（mycobiome）、古菌群（archaeome）和病毒群（virome），在AD中的作用尚未得到充分研究。因此，本研究旨在通过高分辨率宏基因组测序技术，全面揭示AD小鼠模型中肠道微生物群的纵向和多界变化，为AD的预防和治疗提供新的微生物学依据。

研究流程
本研究分为以下几个主要步骤：
1. 动物模型与实验设计：
研究使用了10只11周龄的APP/PS1转基因小鼠（AD模型）和6只同龄野生型C57BL/6J小鼠（对照组）。小鼠从3月龄开始饲养至6月龄，期间定期采集粪便样本，并在实验结束时采集脑组织进行病理分析。APP/PS1小鼠是AD研究中常用的动物模型，其大脑中Aβ斑块的积累与AD的病理特征高度相似。

1. 样本采集与处理：
   在3、4、5和6月龄时，分别采集小鼠的粪便样本，并立即在-80°C下保存。同时，记录小鼠的体重变化和死亡率。在6月龄时，采集小鼠的脑组织进行免疫组化分析，以检测Aβ斑块的积累情况。

2. 宏基因组测序与数据分析：
   从粪便样本中提取DNA，使用QIAamp Fast DNA Stool Mini Kit进行DNA提取，并通过NanoDrop One分光光度计评估DNA质量。构建文库后，使用Illumina NovaSeq 6000系统进行PE150测序。测序数据经过Trimmomatic和Bowtie2过滤低质量读段和宿主污染读段后，使用Kraken2和Bracken进行物种注释和丰度估计。同时，使用HUMAnN3对高质量读段进行功能注释，包括代谢途径（MetaCyc pathways）、KEGG直系同源基因（KO genes）、基因本体论（GO terms）和进化谱系基因（eggNOG genes）等功能分类。

3. 生态网络分析：
   基于物种丰度数据，构建了多界微生物群落的时间序列生态网络，分析了细菌、真菌、古菌和病毒之间的相互作用。通过Spearman相关系数（阈值>0.8，p<0.05）构建网络，并使用ggclusternet包进行可视化。

4. 统计学分析：
   使用R语言进行统计分析，包括生存分析（log-rank test）、体重变化和病理评分的统计学检验（t检验或Wilcoxon秩和检验）、微生物群和功能多样性的α和β多样性分析（Shannon和Simpson指数，Bray-Curtis距离），以及差异物种和功能通路的MaAsLin2分析。

主要结果
1. AD小鼠模型的病理特征：
APP/PS1小鼠在6月龄时表现出显著的Aβ斑块积累，尤其是在海马体中，与野生型小鼠相比，Aβ斑块的覆盖面积显著增加（p<0.01）。此外，AD组小鼠的体重变化较小，但两组小鼠的生存率无显著差异。

1. 肠道微生物群的纵向和多界变化：
   宏基因组测序共鉴定出41,222种细菌、414种真菌、1,836种古菌和1,916种病毒。AD小鼠的肠道微生物群表现出更复杂的细菌-细菌和真菌-真菌相互作用，以及更简单的古菌-古菌和病毒-病毒相互作用。在AD小鼠中，鉴定出1,177种差异细菌、84种差异真菌、59种差异古菌和10种差异病毒。

2. 差异物种的鉴定：
   在AD小鼠中，某些细菌（如Turicibacter sp.）、真菌（如Naumovozyma castellii和Saccharomyces kudriavzevii）、古菌（如Pyrococcus sp. ST04）和病毒（如Lactobacillus prophage LJ771）的丰度显著增加或减少。这些差异物种的鉴定为AD的微生物学机制提供了新的线索。

3. 功能潜力的变化：
   尽管整体功能多样性未发生显著变化，但AD小鼠的肠道微生物群在多个代谢途径和基因功能上表现出部分显著差异。例如，某些MetaCyc途径和KO基因在AD小鼠中显著上调或下调。

结论
本研究首次通过高分辨率宏基因组测序技术，全面揭示了AD小鼠模型中肠道微生物群的纵向和多界变化。研究结果表明，AD的发生和进展伴随着肠道细菌、真菌、古菌和病毒群落的显著变化，这些变化可能通过复杂的微生物相互作用影响AD的病理过程。此外，本研究为AD的微生物学治疗提供了新的理论依据，提示未来可以通过调节肠道微生物群来预防或治疗AD。

研究亮点
1. 本研究首次在AD小鼠模型中系统地研究了肠道细菌、真菌、古菌和病毒的多界变化，填补了该领域的研究空白。
2. 通过高分辨率宏基因组测序技术，研究揭示了AD小鼠肠道微生物群的复杂生态网络和功能潜力变化，为AD的微生物学机制提供了新的见解。
3. 研究鉴定了多个与AD相关的差异物种，为未来开发基于微生物群的AD治疗策略提供了潜在的靶点。

其他有价值的内容
本研究还强调了肠道微生物群在AD中的潜在因果作用，提示未来的研究应进一步探讨肠道微生物群与AD之间的因果关系，并探索通过调节肠道微生物群来干预AD的可能性。此外，研究结果还提示，肠道微生物群的动态变化可能对AD的早期诊断和治疗具有重要意义。