Regulatorii motilității intestinale dezvăluite de un model gnotobiotic de interacțiuni legate de dietă-microbiom
Neelendu Dey
1 Centrul de Științe ale Genomului și Biologie a Sistemelor, Washington University School of Medicine, St. Louis, MO 63108, SUA
2 Center for Gut Microbiome and Nutrition Research, Washington University School of Medicine, St. Louis, MO 63108, SUA
3 Departamentul de Medicină, Școala de Medicină a Universității Washington, St. Louis, MO 63108, SUA
Vitas E. Wagner
1 Centrul de Științe ale Genomului și Biologie a Sistemelor, Washington University School of Medicine, St. Louis, MO 63108, SUA
2 Center for Gut Microbiome and Nutrition Research, Washington University School of Medicine, St. Louis, MO 63108, SUA
Laura V. Blanton
1 Centrul de Științe ale Genomului și Biologie a Sistemelor, Washington University School of Medicine, St. Louis, MO 63108, SUA
2 Center for Gut Microbiome and Nutrition Research, Washington University School of Medicine, St. Louis, MO 63108, SUA
Jiye Cheng
1 Center for Genome Sciences and Systems Biology, Washington University School of Medicine, St. Louis, MO 63108, SUA
2 Center for Gut Microbiome and Nutrition Research, Washington University School of Medicine, St. Louis, MO 63108, SUA
Luigi Fontana
3 Departamentul de Medicină, Școala de Medicină a Universității Washington, St. Louis, MO 63108, SUA
Rashidul Haque
4 Center for Nutrition and Food Security, International Center for Diarrheal Disease Research, Dhaka 1212, Bangladesh
Tahmeed Ahmed
4 Center for Nutrition and Food Security, International Center for Diarrheal Disease Research, Dhaka 1212, Bangladesh
Jeffrey I. Gordon
1 Centrul de Științe ale Genomului și Biologie a Sistemelor, Washington University School of Medicine, St. Louis, MO 63108, SUA
2 Center for Gut Microbiome and Nutrition Research, Washington University School of Medicine, St. Louis, MO 63108, SUA
Date asociate
REZUMAT
Pentru a înțelege modul în care diferitele diete, microbiota intestinală a consumatorilor și sistemul nervos enteric (ENS) interacționează pentru a regla motilitatea intestinului, am dezvoltat un model de șoarece gnotobiotic care imită schimbările dietetice pe termen scurt care apar atunci când oamenii călătoresc în locuri cu tradiții culinare diferite. . Studiind animale transplantate cu microbiota de la oameni reprezentând fiecare bucătărie și hrănite cu o secvență de diete reprezentând cele ale tuturor donatorilor, constatăm că corelațiile dintre abundența speciilor bacteriene și timpul de tranzit sunt dependente de dietă. Cu toate acestea, nivelurile de acizi biliari neconjugați - care reflectă activitatea microbiană a sării de bilă hidrolază - se corelează cu tranzitul mai rapid între diete, inclusiv o dietă din Bangladesh. Șoarecii care adăpostesc un consorțiu de tulpini bacteriene secvențiate din microbiota donatorului din Bangladesh și care au hrănit o dietă din Bangladesh au arătat că condimentele utilizate în mod obișnuit, curcuma, încetinesc timpul de tranzit. Curcuma afectează motilitatea intestinului prin deconjugarea bacteriană a acidului biliar și modularea semnalizării Ret în ENS. Aceste rezultate demonstrează modul în care un singur ingredient alimentar interacționează cu o trăsătură funcțională de microbiotă pentru a regla fiziologia gazdei.
Abstract grafic
INTRODUCERE
Motilitatea intestinală, un parametru fiziologic cheie care reglementează digestia și absorbția nutrienților, este afectată de dietă (Cummings și colab., 1976, 1978), de microbi intestinali (Husebye și colab., 1994, 2001; Wichmann și colab., 2013), sistemul nervos enteric (ENS) (Edery și colab., 1994; Romeo și colab., 1994) și genetica gazdei (Levy și colab., 2000; Whorwell și colab., 1986). În prezent, ne lipsește o înțelegere detaliată a relațiilor complexe și dinamice dintre acești factori, în special în contextul global al diverselor tradiții culturale referitoare la alimente, metodele lor de preparare și microbiota intestinală variată care a evoluat în aceste condiții dietetice. Timpii de tranzit intestinal măsurați la> 1000 de indivizi sănătoși, reprezentând diverse populații din întreaga lume, au variat în cadrul și între grupuri, reflectând probabil un punct culminant al acestor factori (Burkitt și colab., 1972). Apariția metodelor independente de cultură pentru caracterizarea structurii și funcțiilor exprimate ale unei microbiote intestinale creează o oportunitate de a identifica noi abordări pentru înțelegerea motilității intestinale și pentru optimizarea beneficiilor nutriționale derivate din diferite practici dietetice.
REZULTATE
Modelarea dietei și a modificărilor motilității asociate cu călătoriile umane globale la șoareci gnotobiotici
În prim-plan, norii de cuvinte transmit ingredientele specifice utilizate: dimensiunile fonturilor reprezintă reprezentările proporționale pe bază de greutate ale ingredientelor din fiecare dietă. Diagramele pie în fundal prezintă compozițiile macromoleculare. Vezi și Tabelul S1.
Agregarea datelor de la toate animalele în toate momentele acestui experiment de călătorie în 6 faze a relevat o distribuție normală a timpilor de tranzit (Figura 2C). Varianța medie a mouse-ului pe tot parcursul experimentului a fost de 27,7 minute, în timp ce varianța medie între șoarece la un moment dat a fost de 29,3 minute. Măsurile repetate ANOVA în care timpul de tranzit a fost variabila dependentă au demonstrat că dieta (p = 5,6 × 10 -5), microbiota donatorului (p = 2,3 × 10 −3) și interacțiunea dietei și microbiotei (p = 2,6 × 10 −3) au fost toți factorii semnificativi (Tabelul S3A). Cele mai contrastate efecte dietă-microbiotă asupra timpilor de tranzit au fost documentate la șoarecii colonizați cu Bangladesh-ul, comparativ cu microbiota restricționată în SUA atunci când au consumat diete din Bangladesh și primare (Figura 2D). Mai exact, șoarecii colonizați cu microbiota restricționată în SUA au avut o motilitate semnificativ mai rapidă (adică, timpi de tranzit mai mici) atunci când consumă dieta din Bangladesh comparativ cu dieta primară (p -5, F = 19,8, ANCOVA), deși dimensiunea efectului și semnificația statistică a diferențelor în timpul de tranzit variat în funcție de microbiota donatorului individual (Figura S1B, Tabelul S2B).
Corelațiile dintre abundențele relative ale tulpinilor bacteriene intestinale și timpii de tranzit sunt dependente de dietă
Pentru a identifica relațiile dintre taxele bacteriene specifice, dieta și fenotipurile timpului de tranzit, am secvențiat ampliconi PCR generați din regiunea V4 a genelor ARNr bacteriene 16S prezente în microbiota fecală colectate pe parcursul parcurgerii a 6 faze, precum și a experimentelor de călătorie în 3 faze. (984 probe fecale; 22.470 ± 630 citiri pe probă [medie ± sem]; Tabelul S4). Citirile ARNr 16S au fost grupate în unități taxonomice operaționale, în funcție de faptul că au împărțit identitatea secvenței de nucleotide ≥97% (97% ID OTU). Analiza principală a coordonatelor (PCoA) bazată pe UniFrac, o metrică filogenetică care calculează similitudinea între oricare două microbiote pe baza gradului în care OTU-urile lor componente împart lungimea ramurii pe un arbore bacterian (Lozupone și Knight, 2005), a indicat faptul că asamblarea comunității a fost rapid și foarte reproductibil într-un anumit grup de șoareci care au primit aceeași microbiotă de donator atât în experimentele de călătorie în 6 faze, cât și în 3 faze (Figura S2A, C).