Characterization of dietary and genetic influences on the gastrointestinal microbiota

Abstract

Although the gut microbiota is known to contribute fundamentally to human health, e.g. by promoting the maturation of the immune system and intestinal homeostasis, the factors shaping its composition are only poorly understood. Extrinsic and intrinsic influences can disturb the tightly controlled equilibrium between the microbiome and the host and induce dysbiosis, which has been linked to diverse health conditions such as obesity, atherosclerotic cardiovascular disease (ACVD) and inflammatory bowel disease (IBD). Therefore, understanding events leading to microbial perturbations and the prediction of associated health outcomes could aid in the prevention and treatment of these conditions. In this work, the impact of dietary and genetic factors on gastrointestinal microbiota compositions were determined, with the diet serving as an exemplary extrinsic, modifiable microbiota-relevant factor and with a genetic deficiency in a mouse model for intestinal inflammation serving as an exemplary intrinsic, non-modifiable microbiota-relevant factor. In both studies, microbial communities obtained from either a human or a murine cohort, respectively, were taxonomically characterized by 16S rRNA gene amplicon sequencing and analyzed in the context of metabolic and inflammatory implications for the host. In ACVD, the reduction of excess blood cholesterol, which is a main risk factor, is tackled by clinical interventions aiming to reduce cholesterol uptake from exogenous, dietary sources or by inhibiting endogenous cholesterol biosynthesis. Cholesterol-to-coprostanol conversion by the intestinal microbiota has also been suggested to reduce intestinal and serum cholesterol availability, but the dependencies of cholesterol conversion on specific bacterial taxa and dietary habits, as well as its association with serum lipid levels remain largely unknown. To study microbiota contributions to human cholesterol metabolism under varying conditions, fecal microbiota and lipid profiles, as well as serum lipid biomarkers, were determined in two independent human cohorts, including individuals with (CARBFUNC study) and without obesity (KETO study) on very low-carbohydrate high-fat diets (LCHF) for three to six months and six weeks, respectively. Across these two geographically independent studies, conserved distributions of cholesterol high and low-converter types were measured. Also, cholesterol conversion was most dominantly linked to the relative abundance of the cholesterol-converting bacterial species Eubacterium coprostanoligenes, which was further increased in low-converters by LCHF diets, shifting them towards a high-conversion state. Lean cholesterol high-converters, which were characterized by adverse serum lipid profiles even before the LCHF diet, responded to the intervention with increased LDL-C, independently of fat, cholesterol and saturated fatty acid intake. These findings identify the cholesterol high-converter type as a potential predictive biomarker for an increased LDL-C response to LCHF diet in metabolically healthy lean individuals. Although the etiology of IBD has not been fully resolved, an interplay between the intestinal microbiota, environmental factors and an individual’s genetic susceptibility is thought to trigger chronic inflammation by a dysregulation of the immune response in the gut. To identify colitis-associated microbiota alterations throughout the development of spontaneous colitis, mice with a genetic deficiency of the anti-inflammatory cytokine Interleukin-10 (IL-10) from different litters were co-housed with wild-type mice and monitored for 20 weeks. The scoring of mice based on their phenotype and stool consistency mirrored the state of mucosal inflammation as assessed based on histopathological examinations and cytokine expression profiles. Also, the state of colitis was characterized by global microbiota alterations and susceptibility to colitis was dependent on litter-specific microbiome compositions that mice adopted early on in their lives. Colitis development was further associated with the presence of the bacterial genus Akkermansia in mature mice shortly before symptoms manifested. This genus was also a good predictor of colitis-related mice withdrawal, suggesting the potential of Akkermansia to serve as an early onset, subclinical colitis marker. In summary, fecal microbiota characterizations in response to LCHF diets in humans and throughout the development of intestinal inflammation in a colitis mouse model highlight the potential of personalized microbiome-based patient classifications to predict clinical outcomes and improve treatment approaches.

Das Darmmikrobiom leistet einen wesentlichen Beitrag zur menschlichen Gesundheit. Dennoch sind die Faktoren, die seine Zusammensetzung bestimmen, nur unzureichend erforscht. Bedingungen außerhalb und innerhalb des Körpers können das streng kontrollierte Zusammenspiel von Mikrobiom und Wirt stören und eine Dysbiose hervorrufen, die mit verschiedenen Erkrankungen wie Herz-Kreislauf-Erkrankungen (ASCVD) und chronisch entzündlichen Darmerkrankungen (CED) assoziiert ist. Daher spielen das Erforschen der Einflussfaktoren, die zu mikrobiellen Veränderungen im Darm führen, und die Vorhersage der damit verbundenen gesundheitlichen Folgen eine zentrale Rolle in der Verbesserung der Prävention und Behandlung dieser Erkrankungen.In der vorliegenden Arbeit wurde der Einfluss von diätetischen und genetischen Faktoren auf die Zusammensetzung der gastrointestinalen Mikrobiota untersucht, wobei die Ernährung in einer Humankohorte als extrinsischer, veränderbarer mikrobiom-relevanter Faktor und ein genetisches Knock-out Mausmodell für gastrointestinale Entzündungen als intrinsischer, nicht veränderbarer mikrobiom-relevanter Faktor jeweils exemplarisch diente. In beiden Studien wurden mikrobielle kompositionelle Zusammensetzungen, durch 16S rRNA-Genamplikon-Sequenzierung taxonomisch charakterisiert und im Zusammenhang mit metabolischen und entzündlichen Auswirkungen auf den Wirt analysiert. Die Behandlung von ASCVD zielt in erster Linie auf die Senkung eines Cholesterinüberschusses im Blut ab. Eine potentielle Möglichkeit hierfür, stellt die Umwandlung von Cholesterin in das nicht-absorbierbare Coprostanol durch die intestinale Mikrobiota dar, welche die Cholesterinverfügbarkeit im Darm und im Serum verringern soll. Um den Einfluss der Mikrobiota auf den menschlichen Cholesterinstoffwechsel unter verschiedenen Bedingungen zu untersuchen, wurden fäkale Mikrobiom- und Lipidprofile sowie Lipid-Biomarker im Serum in zwei unabhängigen Humankohorten bestimmt, darunter Personen mit (CARBFUNC-Studie) und ohne Adipositas (KETO-Studie), die sich drei bis sechs Monate bzw. sechs Wochen lang einer sehr kohlenhydratarmen, fettreichen Ernährungsintervention (LCHF) unterzogen. Die Analyse von Personen mit und ohne Fettleibigkeit aus zwei geografisch unabhängigen Kohorten, zeigte eine einheitliche Verteilung der Cholesterinumwandlung in high- und low-converter Typen. In beiden Kohorten war die Cholesterinumwandlung am stärksten mit der relativen Häufigkeit des cholesterinumwandelnden Bakteriums Eubacterium coprostanoligenes assoziiert, dessen Vorkommen durch die LCHF-Diät in den low-convertern erhöht wurde und sie somit in einen high-conversion-ähnlichen Zustand versetzte. Die high-converter ohne Adipositas, die bereits vor der LCHF-Diät durch ungünstige Serumlipidprofile gekennzeichnet waren, reagierten auf die Intervention mit einem Anstieg der LDL-C Konzentration im Serum unabhängig von deren Verzehr von Fett, Cholesterin und gesättigten Fettsäuren. Diese Ergebnisse zeigen, dass der Cholesterin high-converter Typ ein potenzieller prädiktiver Biomarker für eine erhöhte LDL-C-Antwort auf eine LCHF-Diät bei stoffwechselgesunden, normalgewichtigen Personen ist. Obwohl die Ätiologie von CED noch nicht vollständig geklärt ist, wird davon ausgegangen, dass ein Zusammenspiel zwischen der Darmmikrobiota, Umweltfaktoren und der genetischen Anfälligkeit eines Individuums besteht. Um Colitis-assoziierte Mikrobiota-Veränderungen während der Entwicklung von CED zu identifizieren, wurden Mäuse mit einem genetischen Defekt des entzündungshemmenden Zytokines Interleukin-10 (IL-10), die aus verschiedenen Würfen stammen, zusammen mit Wildtyp-Mäusen in Käfige gesetzt und 20 Wochen lang beobachtet. Die Bewertung der Mäuse anhand ihres Phänotyps und ihrer Stuhlkonsistenz spiegelte den Zustand der Schleimhautentzündung wider, welche anhand histopathologischer Untersuchungen und Zytokinexpressionsprofile bestätigt wurde. Globale mikrobielle Veränderungen, welche die Entwicklung der Colitis kennzeichneten, sowie die Anfälligkeit für Colitis, hingen zudem von der Mikrobiom-Zusammensetzung ab, welche die Mäuse schon früh im Leben erhalten hatten. Die erhöhte Colitis-Anfälligkeit in Abhängigkeit vom Wurf wurde außerdem mit der Präsenz der Gattung Akkermansia kurz vor dem Auftreten von Symptomen in Verbindung gebracht. Die Präsenz dieser Gattung war zudem ein guter Prädiktor für das frühe Colitis-bedingte Ausscheiden der Mäuse, was darauf hindeutet, dass Akkermansia als Marker für eine früh einsetzende, subklinische Kolitis dienen könnte. Zusammenfassend unterstreichen die Charakterisierungen des Mikrobiomes durch diätetische Modulation einer LCHF-Diät im Menschen und während der spontanen Entwicklung einer Darmentzündung in einem Colitis-Mausmodell das Potenzial von mikrobiombasierten Patientenklassifizierungen. Diese könnten verwendet werden, um den klinischen Verlauf eines einzelnen Patienten vorherzusagen und personalisierte Behandlungsansätze zu verbessern.