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Insights into community composition, function and structure of the human gut microbiome
keystone species and mucus degraders as case studies
Franziska Bauchinger
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Zentrum für Mikrobiologie und Umweltsystemwissenschaft
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Doctor of Philosophy-Doktoratsstudium Naturwissenschaften (Lebenswissenschaften): Biologie
Betreuer*in
David Berry
DOI
10.25365/thesis.78401
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-11814.71024.144892-8
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Der menschliche Verdauungstrakt dient einer diversen Gemeinschaft von Mikroorganismen als Habitat, die zusammen das menschliche Darmmikrobiom bilden. Diese Mikroben spielen eine zentrale Rolle für die menschliche Gesundheit, von der Ausbildung unseres Immunsystems in der frühen Entwicklung bis hin zur Verstoffwechselung von Nahrungsbestandteilen oder der Kolonisationsresistenz gegenüber Krankheitserregern. Die Zusammensetzung dieser mikrobiellen Gemeinschaft kann von Mensch zu Mensch stark variieren und wird durch Wirtsfaktoren wie Ernährung, Lebensstil oder genetischen Hintergrund beeinflusst. Trotz dieser Unterschiede in der Zusammensetzung und der Fluktuationen in der Umwelt ist das Darmmikrobiom in der Lage, seine wichtigen Funktionen aufrechtzuerhalten. Dieses ökologische Zusammenspiel zwischen individuellen Mikroben, Dynamiken der mikrobiellen Gemeinschaft und Wirtseinfluss, das zu der beobachteten Komplexität führt, lässt aber noch viele Fragen offen. In dieser Arbeit wende ich Ansätze der Datenanalyse an, um einige dieser Aspekte zu beleuchten. Ich konzentriere mich auf die Zusammensetzung mikrobieller Gemeinschaften, die Erstellung von Transkriptionsprofilen und Netzwerkanalysen und verwende Schlüsselarten in Korrelationsnetzwerken sowie die Glykan abbauende Gemeinschaft in der Darmschleimhaut als Fallstudien. Es wird angenommen, dass Schlüsselarten einen unverhältnismäßig starken Einfluss auf die Struktur der Gemeinschaft haben und sie stoßen daher in der Darmmikrobiomforschung, insbesondere im medizinischen Kontext, auf großes Interesse. Häufig werden Korrelationsnetzwerkanalysen eingesetzt, um Schlüsselarten in mikrobiellen Gemeinschaften zu identifizieren, aber deren ökologische Bedeutung ist noch unklar. In meiner Arbeit an Schlüsselarten in Korrelationsnetzwerken stelle ich fest, dass die Struktur dieser Netzwerke stark von der verwendeten taxonomischen Ebene abhängig ist und potentielle Schlüsselarten nur auf Gattungs- und Artenebene identifizierbar sind. Diese Schlüsselarten scheinen eine stabilisierende Wirkung auf Gruppen gemeinsam vorkommender Arten zu haben und weisen unterschiedliche Transkriptionszustände auf. Glykan abbauende Mikroorganismen zersetzen die lose äußere Schicht der Darmschleimhaut, die von den Darmepithelzellen gebildet wird. Während bereits gezeigt wurde, dass eine große Anzahl mikrobieller Taxa im Darm Gene zum Abbau von mukosalen Glykanen kodieren, ist die in vivo Dynamik dieser Gemeinschaft weniger gut bekannt. In meiner Forschung stelle ich fest, dass tatsächlich nur wenige Arten, die die erforderlichen Gene kodieren, diese auch aktiv transkribieren und dass die Transkription einzelner Gene in individuellen Proben häufig von einer einzigen Art dominiert wird. Darüber hinaus stelle ich fest, dass sich Arten im Anteil der Abundanz abhängigen Transkription unterscheiden, was auf die Existenz von kompetitiven und opportunistischen Zersetzern schließen lässt. Meine Analysen zeigen interessante Gemeinsamkeiten zwischen Schlüsselarten und den Darmschleimhaut abbauenden Mikroben auf, wie z. B. eine Prävalenz negativer Assoziationen zwischen den Arten und Gradienten in der Zusammensetzung von Gemeinschaften. Den beobachteten Dynamiken könnten jedoch unterschiedliche ökologische Prinzipien zugrunde liegen und es bedarf weiterer Forschung, um diese Komplexität ausführlicher zu untersuchen.
Abstract
(Englisch)
The human gastrointestinal tract is inhabited by a diverse community of microorganisms that together form the human gut microbiome. These microbes play a pivotal role in human health, from training our immune system in early development to metabolizing dietary compounds or providing colonization resistance to pathogens. The composition of this microbial community can vary strongly between individuals and is influenced by host factors such as diet, lifestyle or genetic background. Despite these compositional differences and the environmental fluctuations, the gut microbiome is able to maintain its important functionality. This ecological interplay between individual microbes, community dynamics and host influence leading to the observed complexity still leaves many open questions. In this thesis I apply data analysis approaches to elucidate some of these aspects. I focus on microbial community composition, transcriptional profiling, and network analysis and use correlation network keystone taxa as well as the mucosal glycan degrading community as case studies. Keystone taxa are thought to have a disproportionately strong effect on community structure and consequently attracted a lot of interest in gut microbiome research, in particular in a medical context. Frequently, correlation network analysis is employed to identify keystone taxa in microbial communities, but the ecological significance of such keystones is still unclear. In my work on correlation network keystone taxa I find that such networks are highly sensitive to taxonomic resolution and that putative keystone taxa are only observable at high resolution. These keystone taxa seem to act as stabilizing agents in individual clusters of co-occurring taxa and exhibit distinct transcriptional states. The mucosal glycan degrading community degrades the loose outer mucosal layer produced by gut epithelial cells. While it has been shown that a large number of gut microbial taxa encode genes to degrade mucosal glycans, the in vivo dynamics of this community are less well known. In my research I find that in fact only a small proportion of species that encode the necessary genes actively transcribe them and that the transcription of individual genes is frequently dominated by a single species in a given sample. I further find apparent differences in the proportion of abundance-driven transcription which suggests the presence of competitive and opportunistic degraders. My analyses revealed interesting similarities between the keystone taxa and mucosal glycan degraders, such as a prevalence of negative associations between species and compositional gradients across communities. However, different ecological principles may underlie the observed dynamics and further research is needed to untangle this complexity.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
menschliche Darmflora mikrobielle Ökologie Datenanalyse Netzwerkanalyse Metatranskriptomik Metagenomik Schlüsselarten Darmschleimhautabbau
Schlagwörter
(Englisch)
human gut microbiome microbial ecology data analysis network analysis metatranscriptomics metagenomics keystone taxa mucosal glycan degradation
Autor*innen
Franziska Bauchinger 
Haupttitel (Englisch)
Insights into community composition, function and structure of the human gut microbiome
Hauptuntertitel (Englisch)
keystone species and mucus degraders as case studies
Publikationsjahr
2025
Umfangsangabe
151 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*innen
Melanie Schirmer ,
Stefanie Widder
Klassifikation
42 Biologie > 42.30 Mikrobiologie
AC Nummer
AC17532437
Utheses ID
75236
Studienkennzahl
UA | 794 | 685 | 437 |