Abstract The gut microbiome can impact brain health and is altered in Parkinson’s disease (PD) patients. Here, we investigate changes in the functional microbiome in the appendix of PD patients relative to controls by metatranscriptomic analysis. We find microbial dysbiosis affecting lipid metabolism, particularly an upregulation of bacteria responsible for secondary bile acid synthesis. Proteomic and transcript analysis corroborates a disruption in cholesterol homeostasis and lipid catabolism. Bile acid analysis reveals an increase in microbially-derived, toxic secondary bile acids. Synucleinopathy in mice induces similar microbiome alterations to those of PD patients. The mouse model of synucleinopathy has elevated DCA and LCA. An analysis of blood markers shows evidence of biliary abnormalities early in PD, including elevated alkaline phosphatase and bilirubin. Increased bilirubin levels are also evident before PD diagnosis. In sum, microbially-derived toxic bile acids are heightened in PD and biliary changes may even precede the onset of overt motor symptoms.

Hemispheric asymmetry in neuronal processes is a fundamental feature of the human brain and drives symptom lateralization in Parkinson's disease (PD), but its molecular determinants are unknown. Here, we determine epigenetic differences involved in hemispheric asymmetry in the healthy and the PD brain. Neurons of the healthy brain exhibit numerous hemispheric differences in DNA methylation, which affect genes implicated in neurodegenerative diseases. In PD patients, hemispheric asymmetry in DNA methylation is even greater and involves many PD risk genes. The lateralization of clinical PD symptoms involves epigenetic, transcriptional, and proteomic differences across hemispheres that affect neurodevelopment, immune activation, and synaptic transmission. During aging, healthy neurons show a progressive loss of hemispheric asymmetry in the epigenome, which is amplified in PD. For PD patients, a long disease course is associated with greater hemispheric asymmetry in neuronal epigenomes than a short disease course. Hemispheric differences in epigenetic gene regulation are prevalent in neurons and may affect the progression and symptoms of PD.