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Ecophysiology of sulfoquinovose-metabolizing gut bacteria in humans, mice, and cows
Julia Krasenbrink
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
Alexander Loy
DOI
10.25365/thesis.78934
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-13018.14202.671927-8
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Sulfoquinovose (SQ) ist eine sulfonierte Glukose und Bestandteil des Thylakoidmembranlipids Sulfoquinovosyldiacylglycerol (SQDG) in photosynthetischen Organismen. Trotz der weiten Verbreitung in der Umwelt sind die Stoffwechselprozesse von SQ in komplexen mikrobiellen Gemeinschaften bislang nur unzureichend verstanden. In anoxischen Umgebungen wie dem menschlichen Darm wird SQ von spezialisierten Bakterien durch interspezifischen Metabolittransfer an Sulfonat-respirierende Bakterien abgebaut. Als Endprodukt entsteht hierbei Schwefelwasserstoff, welches konzentrationsabhängige, gesundheitliche Auswirkungen haben kann. Die Rolle von Säugetierzellen im SQ-Abbau ist bislang unbekannt. Diese Arbeit untersucht den SQ-Abbau und seine ökologische Bedeutung in verschiedenen Säugetieren anhand von In-vivo-Studien mit keimfreien und konventionellen Mäusen sowie In-vitro-Mikrokosmosexperimenten mit menschlichen Fäkalien, Mausdarminhalt und Rinderpansenflüssigkeit. Unsere Studie ergab, dass SQ weder von menschlichen Zellen noch von keimfreien Mäusen metabolisiert wird, was darauf hindeutet, dass es in diesen Systemen ausschließlich als mikrobielles Substrat dient. Wir ermittelten einen relevanten SQ-Dosisbereich in menschlichen fäkalen Mikrokosmen. Obwohl die Mikrobiota der Maus die genetische Kapazität zur Verwertung von SQ und seines Metaboliten 2,3-Dihydroxy-1-propansulfonat (DHPS) besaß, fand in Mausdarm-Mikrokosmen kein vollständiger SQ-Abbau statt, wie er in humanen Fäzes-Mikrokosmen beobachtet wurde. Der Nachweis von DHPS im Kot von Mäusen nach SQ-Gabe belegte erstmals die mikrobielle Umsetzung von SQ in vivo. Unsere Ergebnisse verdeutlichen die Rolle menschlicher und muriner Zellen im SQ-Abbau und zeigen grundlegende Unterschiede im SQ-Metabolismus im menschlichen Darm und im Darm von Wildtyp-Labor-Mäusen. Des Weiteren entwickelten wir einen auf Amplikonsequenzierung basierenden Ansatz zur Diversitätsanalyse von SQ-Abbauern, der auf das yihQ-Gen ausgerichtet ist. Dieses kodiert eine konservierte Sulfoquinovosidase, die SQ von SQDG und SQ-Glykosiden in den meisten bekannten SQ-Abbauern abspaltet. Wir fanden eine geringe Diversität an SQ-Abbauern im menschlichen und Maus-Darm, jedoch eine sehr hohe Vielfalt im Pansen von Rindern. In Mikrokosmen mit Pansenflüssigkeit wurde SQ durch nicht kultivierte Mitglieder von Caproiciproducens (Acutalibacteraceae), Limivicinus (Oscillospiraceae) und Sphaerochaetaceae zu Isethionat abgebaut. Isethionat wurde dann zu Sulfid veratmet, wahrscheinlich von Mailhella (Desulfovibrionaceae). Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass SQ(DG) eine wichtige Rolle in der Ernährung von Wiederkäuern und bei mikrobiellen Fermentationsprozessen im Pansen spielt. Insgesamt liefert diese Arbeit neue Einblicke in die Rolle von SQ im mikrobiellen Schwefelmetabolismus im tierischen Darm.
Abstract
(Englisch)
Sulfoquinovose (SQ) is a sulfonated glucose and component of the thylakoid membrane lipid sulfoquinovosyl diacylglycerol (SQDG) in photosynthetic organisms. Despite its abundance in the environment, the dynamics of SQ metabolism in complex microbial communities remain poorly understood. In anoxic environments such as the human gut, specialized bacteria degrade SQ via interspecies metabolite transfer to sulfonate-respiring bacteria, resulting in the production of hydrogen sulfide with concentration-dependent health outcomes. The role of mammalian cells in SQ degradation remains unknown. In this thesis, SQ degradation and its ecological significance in different mammals were investigated through in vivo studies in germ-free and conventional mice and in vitro microcosm experiments with human feces, mouse gut content, and cow rumen fluid. Our study found that SQ is not metabolized by human cells or germ-free mice, indicating that it serves solely as a microbial substrate in these hosts. We established a relevant SQ dose range in human fecal microcosms. Although the mouse microbiota possessed the genetic capacity to degrade SQ and its metabolite, 2,3-dihydroxy-1-propanesulfonate (DHPS), complete SQ degradation, as observed in human fecal microcosms, did not occur in mouse gut content microcosms. The detection of DHPS in feces of mice after SQ administration proved microbial conversion of SQ in vivo for the first time. Our results elucidated the role of human and mouse cells in SQ degradation and showed fundamental differences in the SQ metabolism in the human gut and the wild type laboratory mice gut. We further developed an amplicon sequencing-based approach for diversity studies targeting yihQ, which encodes a sulfoquinovosidase that catalyzes the cleavage of SQ from SQDG and SQ glycosides in most known SQ degraders. We found that the richness of SQ degraders was low in the human and mouse gut but very high in the cow rumen. In rumen fluid microcosms, SQ was degraded to isethionate by novel uncultured members of Caproiciproducens (Acutalibacteraceae), Limivicinus (Oscillospiraceae), and Sphaerochaetaceae. Isethionate was then respired to sulfide, likely by Mailhella (Desulfovibrionaceae). Our results suggest that SQ(DG) plays an important role in the ruminant diet and microbial fermentation processes within the rumen. Overall, this work provides new insights into the role of SQ in the microbial sulfur metabolism in the animal gut.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
Sulfoquinovose Schwefelwasserstoff Schwefelstoffwechsel Darmmikrobiom Pansen Sulfoquinovosidase
Schlagwörter
(Englisch)
sulfoquinovose hydrogen sulfide sulfur metabolism gut microbiome rumen sulfoquinovosidase
Autor*innen
Julia Krasenbrink 
Haupttitel (Englisch)
Ecophysiology of sulfoquinovose-metabolizing gut bacteria in humans, mice, and cows
Publikationsjahr
2025
Umfangsangabe
X, 133 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*innen
Thomas Clavel ,
Patricia Wolf
Klassifikation
42 Biologie > 42.30 Mikrobiologie
AC Nummer
AC17603099
Utheses ID
76180
Studienkennzahl
UA | 794 | 685 | 437 |