Effects of the bacterial conversion of lipids in the gut on mouse metabolism

Streidl, Theresa; Elling, Lothar; Blank, Lars M.; Clavel, Thomas

doi:10.18154/RWTH-2021-12070

Effects of the bacterial conversion of lipids in the gut on mouse metabolism

Streidl, Theresa^RWTH*

2021 & 2022

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Theresa Streidl, M.Sc. Biologie

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2021

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2021

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2022

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Blank, Lars M. (Thesis advisor)^RWTH* ; Clavel, Thomas (Thesis advisor)^RWTH* ; Elling, Lothar (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2021-09-09

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2021-12070
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/837493/files/837493.pdf

Einrichtungen

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 570

Kurzfassung
Als komplexes Ökosystem kodiert und produziert die intestinale Mikrobiota Millionen Gene und Metabolite, deren Funktion innerhalb der Wirtsphysiologie weitgehend unbekannt ist. Verschiebungen fäkaler mikrobieller Profile wurden oft in Zusammenhang mit metabolischen Krankheiten wie Übergewicht und Typ-2 Diabetes gebracht, wobei die Rolle spezifischer Stämme und assoziierter Mediatoren kaum erforscht ist. Das übergreifende Ziel dieser Arbeit war es, die Lipid-Verstoffwechselung des Darmmikrobioms bezüglich sekundärer Gallensäureproduktion und bakterieller Lipasen zu untersuchen. Die Arbeit ist in drei thematisch komplementäre Kapitel unterteilt: Kapitel I behandelt den Effekt der Gallensäuren-Dehydroxylierung auf den Wirtsmetabolismus, der bislang nur mittels humaner Darmbakterien untersucht wurde. Hierfür wurden Mäuse von Geburt an mit der definierten Mikrobiota OligoMM12 sowie mit oder ohne Extibacter muris - einem Mausisolat, das 7α-Dehydroxylierung katalysiert - kolonisiert und mit zwei Diäten unterschiedlicher Fettgehalte gefüttert. Die Kolonisierung mit E. muris (≤2.5% rel. Abundanz) ging mit der Produktion geringer Mengen der sekundären Gallensäuren DCA und LCA einher (≤363 nmol/g Zäkum-Inhalt). Die Leberphysiologie wurde beeinflusst, d.h. Protein-Pathways involviert in Aminosäure-, Glukose-, Lipid-, Energie- und Medikamentenmetabolismus waren verändert. Kapitel II befasst sich mit der Klasse der Coriobacteriia, deren Mitglieder teils Gallensäuren transformieren oder mit verändertem Wirtsfettstoffwechsel assoziiert wurden. Von 346 KORA Probanden, deren klinische Parameter vorliegen, wurde die fäkale Mikrobiota analysiert und das Vorkommen von Eggerthellaceae invers mit BMI, WHR und Fettmasse in Zusammenhang gebracht. Weiter wurden Mäuse mit OligoMM12 und vier Coriobacteriia Stämmen, die vormalig den Lipidmetabolismus gnotobiotischer Mäuse beeinflusst hatten, assoziiert. Einzig Eggerthella lenta kolonisierte in diesem Model (≤40% rel. Abundanz); dies beeinflusste die Wirtszielparameter wie Köpergewicht und Fettmasse jedoch nicht. Als erster Schritt zukünftiger mechanistischer Studien arbeitete ich an der Entwicklung veränderter Milchsäurebakterien, die die von Collinsella aerofaciens stammende putative Lipase exprimieren. In Kapitel III wird die Arbeit an bakteriellen Lipasen fortgeführt, indem die biochemischen Parameter einer neuen, von Clostridium symbiosum exprimierten Lipase charakterisiert wurden. Zusammenfassend wurde ein neues gnotobiotisches Mausmodel zur Untersuchung der sekundären Gallensäureproduktion in vivo etabliert, in welchem kein schädlicher Effekt auf den Wirtsmetabolismus beobachtet wurde. Die komplizierte Beschaffenheit von Coriobacteriia verhinderte es ihre Rolle auf den murinen Metabolismus zu untersuchen, wobei ihr Vorkommen in humanem Fäzes invers mit veränderten Parametern des Wirtsmetabolismus assoziiert war. Die Fertigstellung der genetisch veränderten Stämme wird die Erforschung der Funktion intestinaler bakterieller Lipasen bei der Regulation des Wirtsmetabolismus voranbringen.

The intestinal microbiota is a complex ecosystem that encodes millions of genes and produces many metabolites, the function of which in regulating host physiology is largely unknown. Shifts in fecal microbial profiles are often linked to metabolic diseases like obesity and type-2 diabetes, but the role of specific strains and associated mediators has scarcely been studied. The overall aim of this thesis was to study lipid metabolism by the gut microbiome, with a focus on secondary bile acid production and bacterial lipases. The work is divided into three chapters, each addressing a specific topic:In chapter I, I looked at the effects of bile acid dehydroxylation on host metabolism, which had only been studied using isolates from the human intestine. The effect of colonization by Extibacter muris, a murine isolate capable of 7α-dehydroxylation, on gut and liver responses was examined. Mice colonized from birth with the defined microbiota OligoMM12, with or without the addition of E. muris, were fed two diets varying in fat content. Successful colonization with E. muris (≤2.5% rel. abundance) was accompanied by the production of the secondary bile acids DCA and LCA, albeit at levels lower (up to 363 nmol/g cecal content) than those usually detected in conventional mice. Liver physiology was affected, i.e., protein pathways involved in amino acid, glucose, lipid, energy and drug metabolism were regulated. In chapter II, I focused on the class Coriobacteriia, some members of which can transform bile acids and have been linked to altered host lipid metabolism. The fecal microbiota of 346 KORA participants with detailed body composition data was analyzed using 16S rRNA amplicon sequencing. The occurrence of Eggerthellaceae was inversely associated with BMI, WHR and fat mass. Experimentally, four Coriobacteriia strains previously shown to affect lipid metabolism in gnotobiotic mice were used to colonize mice harboring the defined microbiota OligoMM12. Only Eggerthella lenta was able to engraft in this model (≤40% rel. abundance). Its presence did not significantly affect target host parameters, e.g., body weight and fat mass. As a first step towards future mechanistic studies, I then worked on developing engineered lactic acid bacteria strains expressing Coriobacteriia-derived putative lipases. In chapter III, I continued studying bacterial lipases by characterizing the biochemical properties of a novel lipolytic enzyme expressed by a mouse isolate of the species Clostridium symbiosum. To summarize, a new gnotobiotic mouse model for studying secondary bile acid production in vivo was established. No adverse effects on host metabolism were observed. Studying the role of Coriobacteriia on host metabolism is hampered by the complicated nature of these bacteria. Colonization in gnotobiotic mice was inconsistent. Their occurrence in human feces was inversely associated with disturbed host metabolic parameters. Studying the role of gut bacteria-encoded lipase with the help of engineered strains will open new avenues of research on the function of specific microbiota members in regulating host metabolism.

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