Gut microbes in the prevention and onset of metabolic disorders

Abstract

ABSTRACT:

Gut microbes are suggested to play an essential role in maintaining humanhealth, and unfavorable alterations in gut microbiota have been associated with several human diseases and disorders. Despite the significant advancements in analysis tools, several sources of uncertainty still exist in the gut microbiota composition analyses, limiting the reproducibility and comparability of the results from distinct gut microbiota studies.

The first main aim of this study was to set up a functional high-throughput pipeline for 16S rRNA gene sequencing -based gut microbiota composition analysis. This was achieved by evaluating the effects of fecal sample processing, i.e. two sample storage conditions and five DNA extraction kits, along with two different 16S rRNA gene sequencing protocols. The second main aim of this study was to explore the role of gut microbiota in the onset of obesity-related metabolic disorders such as non-alcoholic fatty liver disease. This was done by studying the effects of intragastric administration of two distinct gut microbes, Faecalibacterium prausnitzii and Enterobacter cloacae, on host health and metabolism of high fat diet -fed C57BL/6N mice.

The results of this study showed that the 16S rRNA gene sequencing protocol had a significant effect on the analysis results. Meanwhile, the effect of sample pre-processing was more modest, yet still potentially important. These results indicate that careful design and adequate method optimization are required in order to produce reliable 16S rRNA gene sequencing results. Moreover, the results of this study revealed that the intragastric F. prausnitzii administration appeared to protect the C57BL/6N mice from liver steatosis, whereas the intragastric administration of E. cloacae seemed to induce liver damage. Further studies are needed in order to clarify the underlying mechanisms and to fully elucidate the possible therapeutic potential of F. prausnitzii.

TIIVISTELMÄ:

Suolistobakteereilla uskotaan olevan merkittävä vaikutus ihmisen terveydelle, ja suolistomikrobiston epätasapaino on yhdistetty moniin eri sairauksiin ja oireyhtymiin. Mikrobistotutkimuksessa käytettävät analyysimenetelmät ovat viimeisen vuosikymmenen aikana kehittyneet merkittävästi, mutta analyysitulokset ovat yhä vahvasti menetelmäriippuvaisia, mikä heikentää tutkimusten toistettavuutta sekä tulosten luotettavuutta ja vertailukelpoisuutta.

Tämän tutkimuksen ensimmäisenä päätavoitteena oli pystyttää toimivat menetelmät 16S rRNA -geenisekvensointiin perustuvalle mikrobistoanalytiikalle. Tutkimuksessa vertailtiin viittä eri DNA-eristysmenetelmää sekä kahta eri sekvensointiprotokollaa, ja selvitettiin ulostenäytteiden pakastuksen vaikutusta mikrobistoanalyysin tuloksiin. Tutkimuksen toisena päätavoitteena oli kartoittaa hiirimallin avulla suolistomikrobiston roolia ei-alkoholiperäisen rasvamaksan synnyssä. Tutkimuksessa selvitettiin, miten suun kautta tapahtuva Faecalibacterium prausnitzii- tai Enterobacter cloacae -annostelu vaikutti korkearasvaista ravintoa syövien C57BL/6N-hiirten terveyteen jaaineenvaihduntaan.

Tutkimuksen tulokset osoittivat, että 16S rRNA –geenisekvensointimenetelmällä oli merkittävä vaikutus mikrobistoanalyysista saataviin tuloksiin. Näytteiden esikäsittelyn vaikutus oli huomattavasti vähäisempi, mutta kuitenkin tulosten vertailukelpoisuuden kannalta mahdollisesti merkityksellinen. Tulokset osoittavat, että huolellinen suunnittelu ja asianmukainen menetelmäoptimointi ovat välttämättömiä luotettavien 16S rRNA –geenisekvensointituloksen tuottamiseksi. Lisäksi tämän tutkimuksen tulokset osoittivat, että F. prausnitzii -annostelu vaikutti positiivisesti hiirten aineenvaihduntaan ja vähensi hiirten maksan rasvoittumista, kun taas E. cloacae -annostelu aiheutti maksavaurioita. F prausnitzii -suolistobakteerin mahdollista terveyttä edistävää potentiaalia ja taustalla olevia tekijöitä tulisi selvittää tarkemmissa jatkotutkimuksissa.