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Assessment of host genetics and environmental factors in shaping the gut microbiota

Gálvez Bobadilla, Eric Juan Carlos

The gut microbiome harbors a complex network of bacteria, archaea, and viruses. Governed by members of the domain Bacteria, the microbiome carries out essential physiological functions, such as promoting the development of the immune system and providing protection against pathogens. A well-balanced composition is fundamental for the health and fitness of the host. In contrast, microbial imbalances have been linked with various pathologies such as intestinal inflammation and metabolic syndrome. Therefore, it is fundamental to understand the major determinants of the gut microbiota composition and stability. Yet, studies have observed that the gut microbiome is shaped by multiple components, but the role of host genetics and environmental factors remains incompletely understood.
Here, we evaluate the composition and stability of the gut microbiota in enhanced specific pathogen free (eSPF) mice, a standardized model to study gut microbiota interactions. Furthermore, we used the eSPF model to assess the relative contribution of the NLRP6 sensor and deficiencies in adaptive immunity (Rag2-/-) on shaping the gut microbiota. Our results showed that the impact of NLRP6 and adaptive immunity on microbiota composition depends on community structure and particularly influences pathobionts such as Helicobacter spp., but not commensals.
Next, using omics approaches we characterized the genomic diversity and functional niche of novel species of the Prevotellaceae, an uncharacterized bacterial family which its abundance has been associated with health and host disease. Our results unveiled high genome diversity at the strain level. In addition, the functional characterization in vivo reveled an up-regulation of distinct polysaccharide utilization loci (PULs) associated with xylan degradation. Further, we identified that a specific repertoire of PULs may enable the strain P. intestinalis to outcompete in mice fed with complex plant polysaccharides. Our study model dissects the specialized metabolic niche of Prevotella and uncovers potential genetic determinants for their abundance and prevalence in the gut.
Collectively, these data demonstrate how host genetics and environmental factors shape the composition and function of the gut microbiota. With the aim to translate the understanding of the microbiome gained from our model, further studies using genetically engineered Prevotella strains are required to determine the molecular bases for colonization and abundance.

Unser Darmmikrobiom besteht aus Bakterien, Archaeen, Eukaryoten und Viren. Darmbakterien führen essentielle physiologische Funktionen aus, wie Stoffwechselvorgänge, die Modulation des Immunsystems und dem Schutz vor Krankheitserregern. Mikrobielle Ungleichgewichte werden mit unterschiedlichsten Erkrankungen in Verbindung gebracht. Um die Rolle des Darmmikrobioms in Gesundheit und Erkrankung zu verstehen, ist es von grundlegender Bedeutung, dessen Zusammensetzung zu analysieren, sowie den Zusammenhang mit Wirtsgenetik und Umweltfaktoren zu verstehen.
Um den Einfluss verschiedener Faktoren auf das Darmmikrobiom zu analysieren, wurde die Zusammensetzung und Stabilität der Darmmikrobiota in spezifischen Pathogen-freien (eSPF) Mäusen untersucht, einem stabilen und reproduzierbaren in vivo Modell zur Untersuchung von Darm-Mikrobiota-Interaktionen. Weiterhin wurde dieses Modell genutzt, um den Einfluss des NLRP6-Sensors und des Fehlens der adaptiven Immunität auf die Darmmikrobiota zu untersuchen. Unsere Ergebnisse konnten zeigen, dass dies abhängig ist von der bakteriellen Gemeinschaftsstruktur, und insbesondere dem Vorhandensein von Pathobionten wie Helicobacter spp. abhängt, jedoch nicht von Kommensalen.
Außerdem charakterisierten wir mithilfe multipler "Omics"-Ansätze die genomische Diversität und funktionelle Nische neuartiger Spezies der Prevotellaceae, einer abundanten Familie kommensaler Darmbakterien, deren Vorkommen mit Gesundheit und Erkrankungen assoziiert wurde. Unsere Ergebnisse identifizierten eine hohe Genomvielfalt in der Gattung Prevotella, sowie eine Hochregulierung von verschiedenen Polysaccharidverwendungsorten (PULs), die mit dem Xylanabbau verbunden sind. Weiterhin konnten wir zeigen, dass ein spezifisches Repertoire an PULs dem Stamm Prevotella intestinalis ermöglicht, im Darm von Mäusen mit ballaststoffreicher Ernährung andere Stämme zu dominieren. Unser Studienmodell entschlüsselt die metabolische Nische der Prevotella-Arten und deckt mögliche genetische Determinanten für deren intestinale Prävalenz auf.
Zusammenfassend zeigen diese Daten, wie Wirtsgenetik und Umweltfaktoren Zusammensetzung und Funktion der Darmmikrobiota beeinflussen. Weitere Studien sind erforderlich, um das aus unserem Modell gewonnene Verständnis des Mikrobioms anzuwenden und die molekularen Mechanismen zu verstehen, welche zuständig sind für Kolonisation und Prävalenz kommensaler Bakterien im Darm.

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