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Influences of gastrointestinal microbiotica and short chain fatty acids on metabolic syndrome

and consequences of caloric restriction on the composition of the GI microbiota

Berit Hippe

Art der Arbeit

Dissertation

Universität

Universität Wien

Fakultät

Fakultät für Lebenswissenschaften

Betreuer*in

Alexander G. Haslberger

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DOI

10.25365/thesis.33590

URN

urn:nbn:at:at-ubw:1-29880.38981.490970-1

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Abstracts

Abstract

(Deutsch)

Die menschliche Darmmikrobiota (Darmflora), unsere Ernährung und unsere Gesundheit sind eng mit einander verbunden. Das gastro intestinale Mikrobiome umfasst 3 Millionen mal mehr Gene als der Mensch. Wir sind sozusagen zusammengesetzte Wesen, gesteuert von unseren eigenen Genen und den Genen der Bakterien und Pilze die wir unser Leben lang erwerben. Zahlreiche Studien beschreiben den Einfluss der Bakterien und ihrer Metaboliten auf die Steuerung des menschlichen metabolischen Systems, Immunsystems, Zentral Nervösen Systems und Hormonkreislaufs. Mittlerweile wurden spezielle Bakterienzusammensetzungen beschrieben die in verschiedenen Krankheiten stärker vorkommen und Bakterienprofile die mit Gesundheit assoziiert sind. Nicht nur die Stoffwechselprodukte der Bakterien beeinflussen den Menschen, auch der Mensch und sein Lebensstil beeinflussen die Zusammensetzung der Mikrobiota. In meiner Dissertation beschreibe ich das Wechselspiel von Buttersäure produzierenden Bakterien, im Speziellen Faecalibacterium prausnitzii und Ernährung, Alter, Nahrungsmittelunverträglichkeiten, Übergewicht und damit verbundene metabolische Krankheiten, sowie geringgradige Entzündungen im Mensch. Personen mit einer hohen, als positiv eingeschätzten, Gesamtbakterienzahl haben auch ein großes F. prausnitzii Vorkommen, wobei niedrige F. prausnitzii Mengen in Personen mit entzündlichen Darmkrankheiten oder Darmkrebs beobachtet werden. Die bakterielle Produktion von kurzkettigen Fettsäuren (SCFA) hat einen bedeutenden Einfluss auf die metabolische Gesundheit des Menschen. SCFAs regulieren Mechanismen der Sättigung, Darmdurchlässigkeit und Immunfunktionen. Buttersäure ist besonders interessant da es als antikanzerogen, entzündungshemmend und sättigungsregulierend gilt, und eine epigenetische Wirkung beschrieben wird. Kurzkettige Fettsäuren produzierende Bakterien: Zwei der wichtigsten bakteriellen Gruppen von Buttersäure (Butyrat) Erzeugern sind Faecalibacterium prausnitzii vom Clostridium Cluster IV und Eubacterium rectale / Roseburia spp. vom Clostridium -Cluster XIVa . Beide Cluster bestehen aus Butyrate Produzenten und Nichtproduzenten. Butyrat wird leicht von der Darmschleimhaut aufgenommen weshalb die Bestimmung der Buttersäure im Stuhl nur Vermutungen auf die tatsächliche bakterielle Butyrat- Produktion zu lässt. Die Bestimmung der Kopien Anzahl des Butyryl -CoA: Acetat- CoA - Transferase-Gen, entwickelt von Louis & Flint 2007, bietet ergänzend einen funktionellen Ansatz. Butyryl -CoA : Acetat -CoA -Transferase- ist im letzten Schritt einer Umbaukaskade beteiligt, bei der Acetat mit Hilfe dieses Enzyms in Buttersäure umgewandelt wird. Dieser Aufbau ist die Hauptroute für die Bildung von Buttersäure im menschlichen Darm mit Hilfe von Bakterien. Das für dieses Enzym codierende Gen wurde in allen von uns durchgeführten Studien gemessen. Das Gen wurde amplifiziert und thermisch denaturiert mit SYBR Green qPCR Analyse. Die Amplikons (DNA Fragmente) wurden in drei Bereiche unterteilt. Die Peaks der Schmelzkurve können 3 Bakteriengruppen zugeordnet werden: Eubacterium hallii und Anaerostipes coli , Roseburia /E. rectale spp. und F. prausnitzii. Dadurch können mit nur einem Analyseverfahren die Butyrat- Produktion der Haupt Butyrat Produzenten gemessen werden. Faecalibacterium prausnitzii - Einer der Haupt Butyrat Produzenten des menschlichen GI-Traktes: Faecalibacterium prausnitzii ist mit bis zu 8% im menschlichen Darm von gesunden Erwachsenen das am Häufigsten vorkommende Bakterium. F. prausnitzii ist für seine entzündungshemmende Aktivität bekannt, einschließlich Regulation von IL-12, IL-10 und IFN-γ, wodurch F. prausnitzii als Marker für eine hohe Bakteriendichte und damit verbunden als Marker für Darmwohlbefinden gilt. 97% der F. prausnitzii kann man 2 phylogenetische Gruppen zuordnen. Beim Vergleich dieser beiden Phylogruppen, mit 5 verschiedenen Methoden, unterschieden sich Typ 2 DiabetikerInnen von adipösen PatientInnen und der normalgewichtigen Kontrollgruppe signifikant. Dies könnte bedeuten dass F. prausnitzii eine schützende Wirkung für Adipöse hat, und vielleicht das Risiko senkt an Typ-2-Diabetes zu erkranken. Ernährung , Alter , Antibiotika oder Chemotherapeutische Behandlung ändern das Mikrobiom: In unserer Studie, die Einflüsse von Altern und Ernährung auf das Mikrobiom untersucht, analysierten wir Stuhlproben von jungen gesunden Mischköstlern (24 ± 2,5 Jahre), Vegetariern (26 ± 5 Jahre) und älteren (86 ± 8 Jahre) Mischköstlern. Ernährung und Lebensweise wurden in Fragebogen basierten Interviews bewertet. Die älteren Menschen hatten signifikant weniger Kopien des Butyryl -CoA: Acetat- CoA - Transferase-Gens als junge Mischköstler, während Vegetarier die höchste Anzahl dieses Gens zeigten. Die thermische Denaturierung der Butyryl -CoA: Acetat- CoA -Transferase- Gen-Variante für Roseburia/ Eubacterium rectale spp. war signifikant höher in den Vegetariern verglichen mit den älteren Menschen. Der Clostridium -Cluster XIVa war bei Vegetariern und Mischköstlern reichlicher vorhanden als in der älteren Gruppe. Vegetarier hatten verglichen zu den den Mischköstlern eine um 12% höherere Gesamtbakterien-DNA Menge, weniger Clostridium cluster IV und mehr Bacteroides. Clostridium cluster lV und eine weitere Bakterienguppe clusterten in der PCA. Zwei Banden erschienen signifikant häufiger in Mischköstlern als in Vegetariern. Eine dieser Banden war Faecalibacterium sp.. Die gastrointestinale Mikrobiota von älteren Menschen ist gekennzeichnet durch eine verringerte Buttersäureproduktion, was ein erhöhtes Risiko von degenerativen Krankheiten wiederspiegelt. Diese Ergebnisse legen nahe, dass das Butyryl -CoA: Acetat- CoA - Transferase-Gen ein wichtiger Marker für gastrointestinale Mikrobiota –Funktionen ist. In unserer „Probiotika-Interventionsstudie“ untersuchten wir die Auswirkungen von Lactobacillus casei Shirota auf das Vorkommen von Antibiotika-assoziierter Diarrhoe (AAD), Clostridium difficile –Infektion (CDI) und Änderungen der Mikrobiota bei 56 PatientInnen. 18,5% der mit Antibiotikum behandelten Gruppe entwickelten AAD, aber nur 5 % der mit Antibiotika und LCS behandelten PatentInnen. Nach Antibiotika-Therapie wurde ein Rückgang der Gesamtbakterien, Clostridium cluster IV und XI, von Bifidobacterium spp. und des Butyryl -CoA- CoA-Transferase -Gens beobachtet, während Enterobacteriaceae erhöht waren. LCS Intervention reduzierte die Antibiotika-assoziierte Abnahme der Mikrobiota Vielfalt. Antibiotika- Behandlung wirkt sich auf die Vielfalt, die Zusammensetzung und Buttersäurekapazität der Mikrobiota aus. Intervention mit speziellen Lactobacillus-Stämmen kann Antibiotika induzierten Veränderungen entgegenwirken. Spezielle Probiotika mit Focus auf der Produktion von kurzkettigen Fettsäuren sind besonders bei der Therapie von AAD wünschenswert. In unserer „Chemotherapie -Studie“ analysierten wir Stuhl von 17 ambulanten PatientInnen unter Chemotherapie, mit oder ohne begleitende Antibiotika, zu 4 Zeitpunkten: vor, zwei während und nach der Behandlung. Die Vergleichsgruppe bestand aus 17 gender- , alters- und Lifestyle – angepassten gesunden Kontrollen. Nach der ersten Behandlung zeigte sich ein deutlicher Rückgang der Gesamtbakterienzahl, welche aber schon nach wenigen Tagen wieder zu nahm. Bacteroides waren dabei nicht so stark betroffen, während die Clostridium cluster IV und XIVa deutlich empfindlicher auf Chemotherapie und Antibiotika-Behandlung reagierten. DGGE -Fingerprinting zeigte eine verringerte Vielfalt von Clostridium cluster IV und XIVa durch Chemotherapie, wobei der Cluster lV besonders stark auf Antibiotikabehandlung reagierte. Das Auftreten von C. difficile in drei der siebzehn Patienten wurde durch eine Abnahme der Gattungen Bifidobacterium, Lactobacillus, Veillonella und Faecalibacterium prausnitzii begleitet. Das Vorkommen von Enterococcus faecium erhöhte sich nach Chemotherapie. Mikrobiota Verschiebung bei Übergewicht, Diabetes Typ 2 oder Nahrungsmittelunverträglichkeit: In unserer „Adipositas Studie“ untersuchten wir die fäkale Mikrobiota zu drei Zeitpunkten bei Adipösen, Typ-2- DiabetikerInnen und normalgewichtigen Kontrollen. Adipöse und Typ -2-DiabetikerInnen erhielten eine Intervention und Ernährungsberatung, Typ -2-Diabetiker eine zusätzliche Therapie mit einem GLP-1 - Agonist. Bei Typ- 2-DiabetikerInnen wurde unter Intervention eine Erhöhung der Vielfalt beobachtet, während die bakterielle Vielfalt der schlanken Kontrollen gleich blieb. Das Verhältnis von Firmicutes zu Bacteroidetes korrelierte mit niedrigen BMI. Die Gruppe mit Diabetes Typ 2 hatte zu allen Zeitpunkten viele Milchsäurebakterien, sowie auch viele Akkermansia und Enterobakterien, welche sich durch die Intervention noch vermehrten. Dafür hatten sie am wenigsten Faecalibacterium prausnitzii im Vergleich zur normal gewichtigen Kontrollgruppe. Clostridium cluster IV und Clostridium Cluster XIVa nahmen während des Studienverlaufs ab. Die Gruppe mit Diabetes Typ 2 unterschied sich von der schlanken Kontrolle in den Schmelzkurvenvarianten des Butyryl -CoA: Acetat -CoA - Transferase-Gens für F. prausnitzii. 22% aller sequenzierten Klone konnten der F. prausnitzii Phylogruppe 2 und 78 % der Phylogruppe 1 zu geordnet werden. Stämme der Phylogruppe 1 wurden nur bei der Gruppe mit Diabetes detektiert. Stämme der unterschiedlichen F. prausnitzii Phylotypen unterschieden sich bei Übergewichtigen mit und ohne Typ-2- Diabetes signifikant, und geben damit einen Hinweis auf ein eventuelles Diabetesrisiko. In der „Nicht -IgE- vermittelten Nahrungsmittelintoleranzpilotstudie“ wurden 40 TeilnehmerInnen untersucht die bei ErnährungsberaterInnen in Behandlung waren wegen Magen Darm Beschwerden und/oder vermuteten Nahrungsmittelunverträglichkeiten. Fragebögen betreffend der Nahrungsmittel-Aufnahme Häufigkeit, Lebensstil und Wohlbefinden wurden abgefragt. Es zeigte sich das ein beschriebenes Unwohlsein mit der Anzahl an Gesamtbakterien korrelierte. Die Gesamtbakterienanzahl sowie die bakterielle Vielfalt korrelierten mit den Calprotectinwerten und der Anzahl an F. prausnitzii und Akkermansia. TeilnehmerInnen die Wohlbefinden angaben, hatten viele Bakterien des Clostridien Clusters XIVa. Eine niedrige bakterielle Vielfalt korrelierte mit niedrigen Werten für IgG4 Antikörper gegen Eiweiß. Die Daten lassen Rückschlüsse zu, dass eine ausgewogene Mikrobiota mit einer niedrigen Darmdurchlässigkeit und geringen Entzündungswerten verbunden werden kann. Das beschriebene Unwohlsein konnte oft in Zusammenhang mit einer veränderten Mikrobiota und Darmdurchlässigkeit beobachtet werden. Eine Schlüsselrolle in der Erforschung von Nahrungsmittelunverträglichkeiten können hier die entzündungshemmenden F. prausnitzii und Laktobazillen haben, sowie die mit Darmdurchlässigkeit assoziierten Akkermansia. Die genaue Verknüpfung von Lebensmittel-unverträglichkeiten und IgG4 Immunantworten bleibt unklar. Marker und Wechselwirkungen der GI Mikrobiota: Eine Änderung der mikrobiellen Zusammensetzung und eine daraus folgende Änderung der Zellwand-bestandteile und Stoffwechselprodukte ändert die epigenetische Regulation von Entzündungs-reaktionen. Eine verbesserte Ernährung die gezielt das mikrobielle Gleichgewichts des Darms aufrechterhalten kann, und somit die epigenetische Regulierung von entzündungsrelevanten Genen beeinflussen kann, könnte gut sein um Folgeerkrankungen des Metabolischen Syndroms vorzubeugen. Die Methylierungsanalyse von vier CpGs im ersten Exon des TLR4 zeigte signifikant niedrigere Methylierungen bei übergewichtigen Personen aber keine signifikanten Unterschiede zwischen Typ-2- Diabetikern und schlanken Kontrollen. Methylierung von sieben CpGs in der Promotorregion des TLR2 war signifikant niedriger bei Typ 2 Diabetikern im Vergleich zu übergewichtigen Probanden und schlanken Kontrollen. Die Methylierung Niveaus beider TLRs korrelierten signifikant mit Body-Mass- Index. Die Analysen von fünf CpGs in der Promotorregion des FFAR3 zeigten eine signifikant geringere Methylierung bei Übergewichtigen und Typ -2-Diabetikern. Diese Ergebnisse zeigen einen signifikanten Zusammenhang zwischen einem höheren Body- Mass-Index und niedrigerer Methylierung von FFAR3. Eine geänderte Zusammensetzung der Darmmikrobiota beeinflusst Mechanismen der epigenetischen Regulierung von FFAR3. Diese Wechselwirkungen zwischen Mikrobiota und epigenetischer Regulation können Einfluss auf den Sättigungs und Hunger Zyklus haben. Dabei kann Butyrate für einen therapeutischen Ansatz besonders interessant sein. Die Expression von regenerativen Genen könnte mit Butyrate aktiviert werden. Unsere Daten legen nahe, dass die Mikrobiota an der epigenetischen Regulation von Entzündungsreaktionen beteiligt ist. Analyse -Methoden: Die Verwendung der Analyse des Butyryl -CoA: Acetat- CoA - Transferase-Gen Wegs zur Messung der Buttersäureproduktion im Darm erfolgte mittels SYBR Green und qPCR. Die Schmelzkurven des amplifizierten PCR-Produktes wurden in drei Bereiche unterteilt. Diese Peaks lassen sich verschieden Bakteriengruppen zuordnen: Eubacterium hallii und Anaerostipes coli (82,5-85,0°C), Roseburia/ E. rectale spp. (85,5-89,0°C) und F. prausnitzii (89,5-92,5°C) (Louis & Flint, 2009). Die Analyse dieses Gens gibt zusätzliche Informationen über Butyrat -produzierende Bakterien. Qiaxel - Fragmentlängen-Polymorphismus unterscheidet die amplifizierten PCR Produkte nach ihren Längen. Die relative Migrationszeit kann einer spezielle Fragmentlänge zugewiesen werden, und diese Länge kann speziellen Bakterienstämmen zugeordnet werden. Die beiden F. prausnitzii Phylotypen unterscheiden sich in ihren Fragmentlängen: für Phylotyp l mit 160 - 161bp (Basenpaaren) und für Phylotyp ll mit 153- 155bp. F. prausnitzii strains unterscheiden sich in der hochauflösenden Schmelzkurve (HRM) in 4 Varianten, je nachdem, welche Fragmentlängen und in welcher Mischung die unterschiedlichen Phylotypen in den Individuen vorkommen. Die Gruppe mit Diabetes Typ 2 unterscheidet sich von der normalgewichtigen Kontrolle signifikant in HRM- Temperatur und Varianz. Die Hochauflösende Schmelzkurvenanalyse kann ein vielversprechendes Werkzeug für Routine-und Forschungszwecke zur weiteren Analyse von F. prausnitzii Phylotypen in geringgradigen Entzündungen und Adipositas -assoziierten Stoffwechselstörungen sein.

Abstract

(Englisch)

The human gut microbiota, our lifestyle, our diet and our health are clearly associated. The microbial genome has 100 times more genes than the human genome with more than 3 million genes. Several studies provided detailed insight into host–microbiota interactions, for example with the metabolic system, immune system and central nervous system. Recent findings have identified specific microbiota profiles and metabolites as predictors of disease risk as well as determining the microbial species which correlate with health and disease. The bacterial composition and its metabolites have an effect on the human host. And the host with its lifestyle has an impact on the microbiota shift. The analysis of short chain fatty acid producers, in particular F. prausnitzii, and their association with nutrition, age, food intolerances, obesity and metabolic disorders in humans, were the focus of my dissertation. F. prausnitzii is more common in subjects with high intestinal gut microbiota gene content and lower concentrations have consistently been observed in patients with inflammatory bowel disease or colorectal cancer. The microbial production of short-chain fatty acids has been shown to significantly impact upon the metabolic health of the host through pathways that influence satiety, gut permeability and immune function. Butyrate is of particular interest due to its anticarcinogenic and anti-inflammatory potential, its effects on the intestinal barrier, satiety and epigenetic regulation. Short Chain Fatty Acid Producing-Bacteria: Two of the most important groups of butyrate producers are Faecalibacterium prausnitzii from the Clostridium cluster IV, and the Eubacterium rectale/Roseburia spp. from the Clostridium cluster XIVa. Both clusters consist of producers and nonproducers of butyrate. Butyrate is easily taken up by the gut mucosa and fecal butyric acid levels give little information about the butyrate-producing capacity of the gut microbiota. Therefore, a function-based approach was suggested for the enumeration of butyrate-producing bacteria by Louis & Flint (2007), targeting the butyryl-CoA:acetate CoA-transferase gene. Furthermore, the butyryl-CoA:acetate CoA-transferase route, using acetate as a cosubstrate, is suggested to be the most important route for butyrate production in the gut ecosystem. To evaluate the relevance of the butyryl-CoA:acetate CoA-transferase gene in butyrate-producing communities, the amount of butyryl-CoA:acetate CoA-transferase gene was compared in all studies. This gene was amplified and thermally denatured using SYBR Green qPCR analysis. The amplicons were divided into three areas. These peaks represent bacteria related to Eubacterium halliiand Anaerostipes coli, Roseburia/E. rectale spp. and F. prausnitzii (Louis & Flint, 2009). With only one method of analysis the butyrate-producing capacity of the main butyrate producers could be measured. Faecalibacterium prausnitzii – One of the Main Butyrate Producers in the Human GI Tract: Faecalibacterium prausnitzii is the most abundant bacterium in the human intestinal microbiota of western, healthy adults, representing up to 8% of the total bacterial population. F. prausnitzii is one of the main butyrate producers in the healthy human gut. F. prausnitzii has been discussed for its anti-inflammatory activity, and as a marker for a high bacterial gene content and gut well-being. 97% of F. prausnitzii cluster in two phylogroups. Analysis of the two phylotypes of F. prausnitzii with 5 different methods showed a significant difference when comparing obese and diabetic type 2 subjects to lean control subjects. That may mean that there is a protecting effect of F. prausnitzii preventing obese subjects from developing type 2 diabetes. Conditions Altering the Microbiome - Nutrition, Age, Antibiotic or Chemotherapeutic Treatment: In our “age and nutrition” -related study we analyzed fecal samples of young healthy omnivores (24±2.5 years), vegetarians (26±5 years), and elderly (86±8 years) omnivores. Diet and lifestyle were assessed in questionnaire-based interviews. The elderly had significantly fewer copies of the butyryl-CoA:acetate CoA-transferase gene than young omnivores, while vegetarians showed the highest number of copies. The thermal denaturation of the butyryl-CoA:acetate CoA-transferase gene variant melting curve related to Roseburia/Eubacterium rectale spp. was significantly more variable in the vegetarians than in the elderly. The Clostridium cluster XIVa was more abundant in vegetarians and in omnivores than in the elderly group. Vegetarians had a 12% higher abundance of bacterial DNA than omnivores, a tendency for less Clostridium cluster IV and higher abundance of Bacteroides which, however, were not significant due to high inter-individual variations. PCA suggested a grouping of bacteria and members of Clostridium cluster IV. Two bands appeared significantly more frequently in omnivores than in vegetarians. One was identified as Faecalibacterium sp.. Gastrointestinal microbiota of the elderly is characterized by decreased butyrate production capacity, reflecting increased risk of degenerative diseases. These results suggest that the butyryl-CoA:acetate CoA-transferase gene is a valuable marker for gastrointestinal microbiota function. In the probiotic intervention study analyzing the effects of intervention with Lactobacillus casei shirota on the incidence of antibiotic-associated diarrhea (AAD), Clostridium difficile infection (CDI) and changes in fecal microbiota, 56 patients were analyzed. As much as 18.5% of the antibiotic-treated group developed AAD, but only 5% of patients treated with antibiotics and LcS. Following antibiotic therapy, a decrease in the abundance of total bacteria, Clostridium cluster IV and XI, Bifidobacterium spp. and butyryl-CoA CoA transferase genes was observed, whereas Enterobacteriaceae increased. LcS intervention reduced the antibiotic-associated decrease in the diversity of microbiota, increased the abundance of Lactobacillus spp. and reduced the antibiotic-induced decrease of Bifidobacterium spp.. Antibiotic treatment affects the diversity and the composition of the microbiota, impairing butyrate production. Intervention with certain Lactobacillus strains may antagonize some of these changes, and more potent short-chain fatty acid-stimulating probiotics are needed for intervention in AAD. In our “chemotherapy study” we analyzed feces of 17 ambulant patients receiving chemotherapy with or without concomitant antibiotics; patients were analyzed before and after the chemotherapy cycle at four time points in comparison to 17 gender-, age- and lifestyle-matched healthy controls. After a significant drop in the abundance of microbiota following a single chemocerapeutic treatment, the microbiota recovered within a few days. The chemotherapeutical treatment marginally affected the Bacteroides while the Clostridium cluster IV and XIVa were significantly more sensitive to chemotherapy and antibiotic treatment. DGGE fingerprinting showed decreased diversity of Clostridium cluster IV and XIVa in response to chemotherapy, with cluster IV diversity being particularly affected by antibiotics. The occurrence of C. difficile in three out of seventeen subjects was accompanied by a decrease in the genera Bifidobacterium, Lactobacillus, Veillonella and Faecalibacterium prausnitzii. Enterococcus faecium increased following chemotherapy. Microbiota Shift in Obesity, Type 2 Diabetics or Food Inconvenience. In our “obesity study” we characterized fecal microbiota at three time points in obese and type 2 diabetes participants and lean controls. Obese participants and type 2 diabetics received an intervention of nutritional counseling, type 2 diabetics an additional therapy with a GLP-1-agonist. In type 2 diabetics an increase in diversity was observed with intervention whereas the values of lean controls remained unaffected. In the lean and obesity groups, a lower Firmicutes: Bacteroidetes ratio correlated with lower BMI. Type 2 diabetics showed a significantly enhanced proportion of lactic acid bacteria before and after intervention, also Akkermansia and Enterobacteria showed a higher abundance in type 2 diabetics, increasing throughout the study period. Faecalibacterium prausnitzii was least abundant in type 2 diabetics, and most abundant in lean controls. Results from Clostridium cluster IV and Clostridium cluster XIVa showed a decreasing trend in type 2 diabetics in comparison to the butyryl-CoA:acetate CoA-transferase gene and according to melt curve analysis. The diabetic group was found to differ significantly from the lean control group in the results of butyryl-CoA:acetate CoA-transferase gene melt curve variant analysis for F. prausnitzii and high resolution melt curve analysis. 22% of all sequenced clones matched with F. prausnitzii phylogroup ll and 78% with phylogroup I. The strains assigned to phylogroup l were from the diabetic group. F. prausnitzii phylotypes differed in obese subjects with and without developed diabetes type 2 and may protect obese subjects from developing type 2 diabetes. In the “non IgE-mediated food intolerance pilot study” we analyzed forty participants, under consultation of nutritional health professionals, for gastrointestinal discomfort and claimed food intolerances. Food frequency questionnaires addressed nutrition, lifestyle and present discomfort. The total microbial abundance significantly correlated with claimed discomfort. The abundance and diversity of microbiota significantly correlated with low Calprotectin values and with higher abundance of Faecalibacterium prausnitzii and Akkermansia. Participants with low discomfort showed enhanced Clostridium Cluster XIVa. An increased diversity also correlated with reduced antibodies against IgG4 of egg white. The data suggest an association of low gut permeability and reduced inflammation with an established microbial equilibrium. Self-reported abdominal inconvenience of participants related mainly to characteristics of microbiota and gut permeability. Anti-inflammatory effects of Faecalibacterium prausnitzii or Lactobacilli and gut barrier functions of Akkermansia may have a key role in food intolerances. The role of IgG4 linking food immune responses with intolerances remains unclear. Impact and Marker of GI Microbiota Interactions: Changes in gut microbiota and thus cell wall components are involved in the epigenetic regulation of inflammatory reactions. An improved diet targeted to induce gut microbial balance and as a consequence epigenetic changes of pro-inflammatory genes may be effective in the prevention of metabolic syndrome. Methylation analysis of four CpGs in the first exon of TLR4 showed significantly lower methylation in obese individuals, but no significant difference between type 2 diabetics and lean controls. Methylation of seven CpGs in the promoter region of TLR2 was significantly lower in type 2 diabetics compared to obese subjects and lean controls. The methylation levels of both TLRs significantly correlated with body mass index. The analysis of five CpGs in the promoter region of FFAR3 showed a significantly lower methylation in obese subjects and type 2 diabetics with an increase in obese patients over the intervention period. These results disclosed a significant correlation between a higher body mass index and lower methylation of FFAR3. Different compositions of gut microbiota in obese individuals and type 2 diabetics affect the epigenetic regulation of FFARs. These interactions between microbiota and epigenetic regulation may influence the satiety and hunger cycle. Especially butyrate may have an impact in strategies for regenerative medicine by promoting epigenetic remodeling and the expression of associated genes. Our data suggest that changes in gut microbiota and thus cell wall components are involved in the epigenetic regulation of inflammatory reactions. Analyzing Methods: To assess the synthesis of butyrate following the butyryl-CoA:acetate CoA-transferase gene pathway we amplified and thermally denatured the product using SYBR Green qPCR analysis. The melt curves from amplified PCR products were divided into three areas. These peaks represent bacteria related to Eubacterium hallii and Anaerostipes coli (82.5–85.0°C), Roseburia/E. rectale spp. (85.5–89.0°C) and F. prausnitzii (89.5–92.5°C)(Louis & Flint, 2009). Analyzing this gene gives additional information about further butyrate-producing bacteria. Qiaxel – fragment length polymorphism discriminates between different fragment lengths of the amplified PCR products. The relative migration time can be assigned to a particular fragment length and this can be assigned to particular bacterial strains. The two F. prausnitzii phylotypes could be distinguished by fragment length, phylotype l with 160-161bp and phylotype ll with 153-155bp. Four variants of F. prausnitzii could be distinguished with HRM, depending on the fragment lengths of the different phylotypes and mixtures of those in the different individuals. Diabetic group results differed significantly from the lean control group in HRM temperature and variance, and from the obese group in HRM temperature and variance. High resolution melt curve analysis may be a promising tool for routine and research use for further analyzing F. prausnitzii phylotypes in low grade inflammation and obesity-associated metabolic disorders.

Autor*innen

Berit Hippe

Haupttitel (Englisch)

Influences of gastrointestinal microbiotica and short chain fatty acids on metabolic syndrome

Hauptuntertitel (Englisch)

and consequences of caloric restriction on the composition of the GI microbiota

Paralleltitel (Englisch)

Influences Of Gastrointestinal Microbiota And Short Chain Fatty Acids On Metabolic Syndrome ; And Consequences Of Caloric Restriction On The Composition Of The GI Microbiota

Publikationsjahr

2014

Umfangsangabe

276 S. : Ill., graph. Darst

Sprache

Englisch

Beurteiler*innen

Walter Hammes ,

Angela Witte

Klassifikationen

30 Naturwissenschaften allgemein > 30.00 Naturwissenschaften allgemein: Allgemeines ,

42 Biologie > 42.30 Mikrobiologie

AC Nummer

AC12030868

Utheses ID

29835

Studienkennzahl

UA | 791 | 474 | |

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Schlagwörter