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Reevaluating known dynamics in the human gut microbiome with a focus on Prevotellaceae and Bacteroidaceae and their connection to westernized and non-westernized lifestyle
Stephanie Pejrimovsky
Art der Arbeit
Masterarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Informatik
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Masterstudium Bioinformatik
Betreuer*in
Thomas Rattei
DOI
10.25365/thesis.80662
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-27994.86213.351182-7
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Die breite Anwendung von metagenome-assembled genomes (MAGs) hat das Feld der Mikrobiomforschung grundlegend verändert. Während sich der Fokus von einzelnen Spezies zu gemeinschaftlichen Strukturen verschoben hat, stellt die zunehmende Einbeziehung von Species Genome Bins (SGBs) gleichzeitig etablierte Artdefinitionen infrage. Laufende taxonomische Veränderungen innerhalb der Familien Prevotellaceae und Bacteroidaceae werfen Zweifel an lifestyle Mustern sowie bekannter Koexistenzdynamiken auf. In dieser Arbeit wurden aktuelle Herangehensweisen genutzt, um Diversitäts- und Koexistenzmuster innerhalb dieser Familien im menschlichen Darm über westlich geprägte und nicht-westlich geprägte Populationen hinweg neu zu bewerten. High-quality genomes wurden aus der Unified Human Gastrointestinal Genome (UHGG)-Sammlung extrahiert und mithilfe von PhyloPhlAn und GTDB-Tk neu klassifiziert. Dies führt zu konstanten Zuordnungen der Species Genome Bins (SGBs), einschließlich bislang unbenannter SGBs. Insgesamt wurden 1.000 öffentlich verfügbare Stuhlmetagenome mithilfe von MetaPhlAn 4 analysiert, wodurch sowohl umbenannte als auch zuvor nicht charakterisierte Taxa berücksichtigt werden konnten. Unterschiede im Artenreichtum zwischen westlich geprägten und nicht-westlich geprägten Populationen wurden unter Verwendung Präsenz–Absenz-basierter Matrizen untersucht. Die Gemeinschaftsstruktur wurde mittels Spearman-Korrelationsanalysen, Koexistenznetzwerk und Clusterverfahren (DBSCAN und Spectral Clustering) analysiert. Die Klassifikation zeigte, dass ein erheblicher Anteil der Diversität innerhalb der Prevotellaceae weiterhin unbenannt ist (46,55 % uSGBs), während die Familie Bacteroidaceae weitgehend gesättigt erscheint (9,52 % uSGBs). Trotz kürzlicher Veränderungen des Segatella-copri-Komplexes wurden zwei zusätzliche unbenannte SGBs (Prevotella SGB1638 und Prevotella SGB1635) identifiziert, die möglicherweise dieser Linie zuzuordnen sind. Ein starker Gegensatz zwischen Prevotellaceae Gemeinschaften in nicht-westlich geprägten Populationen und Bacteroidaceae Gemeinschaften in westlich geprägten Populationen (p < 2,2 × 10⁻¹⁶) konnte bestätigt werden. Über diese etablierte Dualität hinaus traten Arten der Familie Lachnospiraceae als eigenständige Gruppe hervor, die einen separaten Cluster bildeten. Dieser Cluster zeichnete sich durch spezifische Koexistenzmuster sowie charakteristische CAZym-Profile aus. Anstelle strenger Enterotypen deuten diese Ergebnisse auf lifestyle geprägte Gradienten hin.
Abstract
(Englisch)
The widespread adoption of metagenome-assembled genomes (MAGs) has changed the field of microbiome research. While the focus has shifted from individual species toward community-level structures, the inclusion of species genome bins (SGBs) has simultaneously challenged long-standing species definitions. Ongoing taxonomic revisions within the dominant gut microbiome families Prevotellaceae and Bacteroidaceae raise questions about the stability of lifestyle-associated microbiome patterns and previously described co-occurrence dynamics. This thesis utilized updated, taxonomic frameworks to reassess diversity and co-occurrence patterns in the human gut within these families across Westernized and Non-Westernized human populations. High-quality genomes were extracted from the Unified Human Gastrointestinal Genome (UHGG) collection and reclassified using PhyloPhlAn and GTDB-Tk to generate consistent species-level genome bin (SGB) assignments, including unnamed SGBs. Species diversity was evaluated at the family level to ensure robustness against ongoing taxonomic changes. A total of 1,000 publicly available stool metagenomes were analyzed using MetaPhlAn 4, enabling the inclusion of revised and previously uncharacterized taxa. Differences in species richness between Westernized and Non-Westernized populations were assessed using presence–absence–based diversity metrics. Community structure was further examined using Spearman correlation analysis, co-occurrence network inference, and unsupervised clustering with DBSCAN and Spectral Clustering. Genome-based taxonomic classification revealed that a substantial fraction of Prevotellaceae diversity remains unnamed (46.55% uSGBs), whereas Bacteroidaceae appears closer to saturation in terms of species discovery (9.52% uSGBs). Despite recent revisions of the Segatella copri complex, two additional unnamed SGBs (Prevotella SGB1638 and Prevotella SGB1635) were identified that may belong to this lineage. A strong and reproducible contrast between Prevotellaceae-enriched communities in Non-Westernized populations and Bacteroidaceae-enriched communities in Westernized populations (p < 2.2 × 10⁻¹⁶) was confirmed. In addition to this established dichotomy, Lachnospiraceae species emerged as a distinct group that formed a separate cluster. This cluster was characterized by unique co-occurrence patterns and CAZyme profiles. Rather than supporting discrete enterotypes, these findings indicate family-level population gradients shaped by lifestyle, and functional specialization.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
menschliches Darmmikrobiom Prevotellaceae Bacteroidaceae Metagenome-assembled Genomes MAGs species genome bins SGBs Westlicher und Nicht-Westlicher Lebensstil
Schlagwörter
(Englisch)
human gut microbiome Prevotellaceae Bacteroidaceae Metagenome-assembled Genomes MAGs species genome bins SGBs Westernized and Non-Westernized lifestyle
Autor*innen
Stephanie Pejrimovsky
Haupttitel (Englisch)
Reevaluating known dynamics in the human gut microbiome with a focus on Prevotellaceae and Bacteroidaceae and their connection to westernized and non-westernized lifestyle
Paralleltitel (Deutsch)
Reevaluierung bekannter Dynamiken des menschlichen Darmmikrobioms mit Fokus auf Prevotellaceae und Bacteroidaceae und deren Verbindung zu westlichen und nicht-westlichen Lebensstilen
Publikationsjahr
2026
Umfangsangabe
76, XLIV Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Thomas Rattei
Klassifikation
30 Naturwissenschaften allgemein > 30.99 Naturwissenschaften allgemein. Sonstiges
AC Nummer
AC17814307
Utheses ID
79824
Studienkennzahl
UA | 066 | 875 | |