Microbial ecology and bile acid conversion within the pig intestine in colon carcinogenesis

Wylensek, David Franz; Pabst, Oliver (Thesis advisor); Clavel, Thomas (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2022, 2023)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2022

Kurzfassung

Trotz zunehmender Bemühungen, unser Verständnis über die komplexen bakteriellen Gemeinschaften innerhalb des Darmmikrobioms zu verbessern, ist ein großer Teil der Arten, ihrer Metaboliten und Funktionen, welche das Potenzial beherbergen, die Gesundheit des Wirts zu beeinflussen, noch weitgehend unbekannt. Ein Beispiel ist der Zusammenhang zwischen einer verwestlichten Ernährung und dem Auftreten von Dickdarmkrebs (DDK), welcher mit Veränderungen der Darmmikrobiota und mikrobiellen Metaboliten wie sekundären Gallensäuren (sek. GS) verbunden ist. Die Relevanz und Kausalität dieser Beobachtungen bleibt jedoch unbewiesen. Daher war das Ziel meiner Diplomarbeit, die kausale Rolle der vom Darmmikrobiota produzierten sek. GS, bei der Kolonkarzinogenese zu erforschen. Zu diesem Zweck habe ich in Kapitel I experimentelle Beweise für die nachteilige Rolle einer mit rotem Fleisch und Schmalz angereicherten westlichen Ernährung im APC 1311/+-Schweinemodell für DDK im Frühstadium geliefert. Diese Diät erhöhte die Anzahl und Größe von Polypen im Dickdarm und induzierte eine Verschiebung im Profil der fäkalen Mikrobiota sowie eine Erhöhung der sek. GS-Level wie beispielsweise DCA und 12-KLCA. Um jedoch die Kausalität von sek. GS in DDK in mechanistischen Studien durchführen zu können, sind gnotobiotischen Tieren in Kombination mit bakteriellen Isolaten notwendig. Daher konzentrierte ich mich in Kapitel II auf die Isolierung und Charakterisierung von Bakterienarten aus dem Schweinedarm mit besonderem Augenmerk auf die Umwandlung von Gallensalzen. Insgesamt wurden 117 Stämme isoliert, welche 110 Arten aus 40 Familien und 9 Phyla repräsentieren, um die erste umfassende und öffentlich zugängliche Bakteriensammlung aus dem Schweinedarm aufzubauen (www.dsmz.de/pibac). Fünfzig Isolate zeigten eine Gallensalz-Hydrolase-Aktivität auf, der erste Schritt bei der Gallensalz-Umwandlung. Darüber hinaus konnte Clostridium scindens die sek. GS DCA durch 7α-Dehydroxylierung bilden. Abgesehen von diesen Entdeckungen, stellten 34,5 % der isolierten Spezien neue Taxa dar, die alle taxonomisch beschrieben wurden. Dies trug dazu bei, unser Verständnis der mikrobiellen Funktionen im Schweinedarm zu erweitern, wie beispielsweise durch die Identifizierung einer neuen Fucosyltransferase aus der neuen Spezies Clostridium porci oder durch die Beschreibung biosynthetischer Gengruppen, welche für potenziell neue Sactipeptid-ähnliche kleine Proteine codieren. In Kapitel III habe ich auf der Grundlage dieser einzigartigen Sammlung von Isolaten zwei synthetische Bakteriengemeinschaften (SYN) mit und ohne die Fähigkeit zur Produktion von sek. GS erstellt, um die mögliche Anwendung an gnotobiotischen Mäusen und Schweinen zu demonstrieren. In beiden Wirtsspezies kolonisierte die Mehrheit der SYN-Stämme mit einschließlich C. scindens den Darm, wobei die Produktion von DCA bei Schweinen mit der entsprechenden bakteriellen Gemeinschaft beobachtet wurde. Zusammenfassend stellt diese Doktorarbeit eine solide Grundlage für die Arbeit zum experimentellen Nachweis der schädlichen Rolle der westlichen Ernährung bei DDK dar.