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Original title:
Impact of maternal and nutritional factors on the gut microbiome at early age 
Translated title:
Einfluss mütterlicher und ernährungsphysiologischer Faktoren auf das Darmmikrobiom in jungem Alter 
Year:
2019 
Document type:
Dissertation 
Institution:
Fakultät Wissenschaftszentrum Weihenstephan 
Advisor:
Schloter, Michael (Prof. Dr.) 
Referee:
Schloter, Michael (Prof. Dr.); Liebl, Wolfgang (Prof. Dr.) 
Language:
en 
Subject group:
BIO Biowissenschaften 
TUM classification:
BIO 450d 
Abstract:
The importance of the gut microbiome for the overall health of its host has been demonstrated by various studies. Therefore, it is of high interest to investigate the factors influencing the gut bacteria community composition during its establishment, as they are assumed to be involved in the development of conditions due to an aberrant microbiome later in life. The first factors shaping the gut microbiome include genetics and the mode of delivery, while post-natal factors at early age include the environmental conditions, breastfeeding and administration of antibiotics. With this project I aimed to investigate the maternal factors influencing the offspring’s gut bacterial composition. As it is unclear to which extend the microbiome is determined by pre-natal factors and delivery in comparison to post-natal factors, it was chosen to conduct a cross-fostering experiment on two genetically different mouse lines, being prone to be obese or lean, respectively. The microbiome of the colon and cecum of three weeks old mice, was analyzed by high-throughput 16S rRNA gene sequencing. I could show that the birth as well as the nursing mother had a distinct impact on the gut microbiome of the offspring, especially on the families Porphyromonadaceae, Rikenellaceae and Lactobacillaceae. Both affected the α- and β-diversity of the offspring’s gut microbiome and shaped its composition. As I found indication for the composition of the maternal milk playing a major role, I choose to continue to isolate the impact of a high-fat content of the food at early age. A high-fat feeding trial showed that young mice, which were on this diet for the same time as they are usually consuming maternal milk, showed similar negative compositional changes as adults on high-fat diet and this independently of obesity. As accumulating evidence indicates that the increase of bile acids, induced by high-fat diet, mediates changes of the gut microbiome, I further investigated how this impacts murine gut bacteria, which catalyze the transformation of bile acids into secondary bile acids, which are known to play a role in the pathogenesis of colon cancer and several gastrointestinal diseases. I used a metagenomics approach in combination with targeted bile acid profiling and focused on microbes which carry the genes for the bile salt hydrolase (bsh) and the bile acid 7α-dehydratase (baiE). The first one catalyzes the splitting of the glycine or taurine residue from the primary bile acids, enabling further downstream modifications. The second one catalyzes the rate-limiting and irreversible step in 7α-dehydroxylation pathway. I could show that high-fat diet increased the amount of secondary bile acids in the gut and had an impact on the diversity of bacteria capable of secondary bile acid formation. Bacterial families involved in the degradation of bile acids mostly belonged to the phylum Bacteroidetes, with the family Porphyromonadaceae being predominant. Therefore, high-fat diet and a consequential increase in bile acid levels has a negative impact on both, the diversity of the gut microbiome and the host. In conclusion the results contributed to the understanding of which factors are involved in shaping the gut microbial community during early age. 
Translated abstract:
Verschiedene Studien belegen inzwischen wie wichtig das Darmmikrobiom für die Gesundheit seines Wirts ist. Da angenommen wird, dass eine Beeinträchtigung des Mikrobioms in jungem Alter an Erkrankungen im späteren Leben beteiligt ist, ist es von großem Interesse, die Faktoren zu untersuchen, die die Entstehung der Darmflora beeinflussen. Das Darmmikrobiom wird als erstes von der Genetik und der Art der Geburt beeinflusst, während anschließend postnatale Faktoren wie die Umweltbedingung, das Stillen und die Gabe von Antibiotika eine Rolle spielen. Mit diesem Projekt sollen die maternalen Faktoren untersucht werden, die die bakterielle Zusammensetzung des Darmmikrobioms der Nachkommen beeinflussen. Da unklar ist, inwieweit das Mikrobiom von pränatalen Faktoren im Verglich zu postnatalen Faktoren beeinflusst wird, wurde ein Cross-Foster-Experiment an zwei genetisch unterschiedlichen Mauslinien durchgeführt, wobei eine Linie zur Fettleibigkeit neigte, während die andere schlank blieb. Das Mikrobiom des Kolons und des Blinddarms der drei Wochen alten Mäuse wurde mittels 16S-rRNA-Gensequenzierung analysiert. Es konnte gezeigt werden, dass sowohl die Geburtsmutter als auch die Ziehmutter einen deutlichen Einfluss auf das Darmmikrobiom der Nachkommen, speziell auf die Familien Porphyromonadaceae, Rikenellaceae und Lactobacillaceae, hatten. Beide beeinflussten die α- und β-Diversität des Darmmikrobioms und dessen Zusammensetzung. Da die Zusammensetzung der Muttermilch eine signifikante Rolle zu haben scheint, wurde im folgenden Experiment der Einfluss eines hohen Fettgehalts der Nahrung isoliert untersucht. Die Hochfettdiät, die die jungen Mäuse für einen Zeitraum bekamen, der dem der üblichen Stillzeit entsprach, hatte negative Auswirkungen auf die Zusammensetzung des Mikrobioms, die denen in adulten Mäusen entsprachen. Dieser Effekt war unabhängig von Adipositas. Vorhergehende Studien haben gezeigt, dass der Anstieg der Gallensäuren, der durch eine fettreiche Ernährung induziert wird, das Darmmikrobiome beeinflussen kann. Daher wurde untersucht, wie sich dies auf die Darmbakterien auswirkt, die die Umwandlung von Gallensäuren in sekundäre Gallensäuren katalysieren. Sekundäre Gallensäuren spielen bei der Entstehung von Darmkrebs und verschiedenen Magen-Darm-Erkrankungen eine Rolle. Es wurde ein Metagenomik-Ansatz in Kombination mit einer Analyse der Gallensäuren Zusammensetzung verwendet, um die Bakterien zu untersuchen, die die Gene für die Gallensalz-Hydrolase (bsh) und die Gallensäure-7α-Dehydratase (baiE) tragen. Das erstere katalysiert die Abspaltung des Glycin- oder Taurinrests von den primären Gallensäuren, wodurch weitere Modifikationen erst möglich werden. Das zweitere katalysiert den Geschwindigkeits-bestimmenden und irreversiblen Schritt der 7α-Dehydroxylierung. Es konnte gezeigt werden, dass eine fettreiche Ernährung die Menge der sekundären Gallensäuren im Darm erhöht und die Vielfalt der Bakterien beeinflusst, die zur Bildung der sekundären Gallensäure fähig sind. Bakterienfamilien, die am Abbau von Gallensäuren beteiligt sind, gehörten größtenteils zum Stamm Bacteroidetes, wobei die Familie Porphyromonadaceae am häufigsten ist. Fettreiche Ernährung und die daraus folgende Erhöhung des Gallensäurespiegels haben dementsprechend einen negativen Einfluss auf die Zusammensetzung des Darmmikrobioms und die Gesundheit des Wirts. Zusammenfassend haben unsere Ergebnisse zum Verständnis der Faktoren beigetragen, die das Darmmikrobiom in jungem Alter beeinflussen. 
Oral examination:
26.09.2019 
File size:
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90 
Last change:
11.10.2019