Modulo Ecologia del microbiota umano

PROCESSO DI COEVOLUZIONE UOMO-MICRORGANISMO

Un altro esempio di coevoluzione microrganismo-uomo: molti batteri intestinali possiedono un elevato numero di strumenti enzimatici che permettono di utilizzare i carboidrati ingeriti degli alimenti, indicando un evidente processo di adattamento dei commensali batterici al loro ospite: un numero molto elevato di geni che codificano per enzimi responsabili della metabolizzazione dei carboidrati. Nel genoma umano non possediamo alcuni enzimi come, ad esempio, quello che scinde il legame beta-1,4 come quello della cellulosa, ma i batteri e i geni batterici possono assumere diverse capacità in base sicuramente all'alimentazione e alla posizione geografica ma anche alla trasmissione verticale ovvero la madre che ci lascia sia geni eucariotici umani sia geni batterici microbici che verticalmente vengono trasmessi. Questa domanda è stata posta durante uno studio del 2010 derivante dal HMP. Da questo studio era emerso che c'erano dei geni.

nell'intestino di soggetti giapponesi (campioni presi da diverse parti del mondo, ma solo nei giapponesi) deputati alla metabolizzazione dell'agarosio (dall'alga Agar Agar) e del porfirano (molto presente nell'Alga Nori). In particolare, è stato scoperto un batterio chiamato Bacteroides plebeius che conteneva enzimi come porfiranasi e agarasiche erano in grado di digerire i due carboidrati tipici delle alghe, che vengono molto assunte in Giappone. La peculiarità è che questi enzimi erano tipici dell'ambiente marino e, probabilmente, tramite scambio orizzontale siano stati trasferiti i geni codificanti per questi enzimi al batterio intestinale umano come Bacteroides. È stato riscontrato solo in giapponesi, probabilmente ottenuto tramite passaggio verticale dai genitori, perché diverse persone americane da tanti anni in Giappone non avevano questa peculiarità. Ma quindi, è possibile che ci sia un trasferimento.verticale del microbioma? hanno preso un topoumanizzato: ovvero un topoin cui hanno tolto il loromicrobiota fecaleintroducendo prodottofecale umano. Li hanno fatticrescere per due settimane,li hanno fatti accoppiare ehanno ottenuto i cuccioli.stessa cosa fino alla 4generazione. Questo gruppo(verde) è quello di controlloovvero vengono nutriti conuna dieta ricca di MACovvero di carboidratiaccessibili al microbiota.I topi di partenza erano glistessi anche per il gruppo diet-switching (giallo) a cui però è stata data una low-MAC diet ovvero una dieta povera dicarboidrati accessibili all'uomo. Per le prime 4 settimane è stata data una dieta normale, poi mantenuta una dieta poverain fibre fino alle ultime 6 settimane che tornava normale ricca in MAC. Le analisi sono state fatte nei punti 1 e 2 per ilmicrobiota, poi è stata fatta anche un analisi del microbioma all'inizio e alla fine dello studio in entrambi i gruppi. 59Esperimento: i topi

Umanizzati (a 4 settimane, n=10) sono stati nutriti con una dieta ricca in fibre (high-MAC) per 6 settimane e suddivisi in maniera casuale in due gruppi. Un gruppo è stato commutato a una dieta a basso contenuto di MAC (low-MAC) per 7 settimane, dopo di che è stata reintrodotta una dieta high-MAC per 6 settimane. Il gruppo di controllo è stato mantenuto sulla dieta high-MAC durante tutto l'esperimento. All'inizio dell'esperimento la composizione del microbiota di entrambi i gruppi di topi era indistinguibile (si vedano i dati "initial" nei grafici della figura presente).

Nei topi che sono stati fatti crescere con una dieta scarsa in fibre c'è una continua diminuzione di Bacteroidales. Analisi degli stessi campioni basata sul microbioma: per stabilire se la capacità del microbiota intestinale di metabolizzare la fibra fosse stata alterata durante le generazioni, è stata analizzata l'abbondanza di geni.

Codificantile glicosil idrolasi (GH) tra le generazioni 1 e 4 di entrambi i gruppi (controllo e diet-switching). 22 famiglie di GH hanno mostrato una perdita significativa di abbondanza nel gruppo diet-switching nella generazione 4 (4 settimane dopo il ritorno alla dieta high-MAC) rispetto al momento iniziale della generazione 1. Non sono state invece osservate differenze nelle famiglie di GH nel gruppo di controllo.

Per ripristinare la composizione e la diversità del microbiota intestinale a livelli del controllo non era sufficiente la dieta, ma è stato necessario operare un trapianto del microbiota fecale (FMT) dai topi di controllo ai topi diet-switching di 4° generazione. Entro 10 giorni la composizione del microbiota e la diversità del gruppo FMT non erano distinguibili dai controlli high-MAC di quarta generazione.

Questo studio indica che la dieta povera in "carboidrati accessibili per il microbiota" (MAC) induce un cambiamento nel microbiota (riduzione della diversità e dell'abbondanza di GH) che può essere ripristinato tramite trapianto del microbiota fecale.

della diversità e perdita di Bacteroidales) e nel microbioma (riduzione di numerose glicosilidrolasi). Il microbiota alterato, inoltre, è mantenuto nelle generazioni successive, e non torna allo stato iniziale in seguito alla reintroduzione dei MAC. Questo studio suggerisce due importanti considerazioni (la forma in uomo richiede ulteriori studi): - una dieta povera in fibre determina impoverimento del microbiota, con perdita di gruppi tassonomici batterici che non possono essere recuperati reintroducendo la fibra nella dieta - il microbioma è trasferito verticalmente alla progenie. L'effetto della dieta sul microbiota intestinale: il caso dei bambini italiani e quelli del Burkina Faso: analisi del microbioma di bambini compresi tra 1 e 4 anni di Firenze e di un villaggio del Burkina Faso. Lo scopo di questo studio è stato quello di comparare il microbiota intestinale di: - 14 bambini di età compresa tra 1 e 6 anni che vivono in un villaggio del Burkina Faso - 14 bambini di età compresa tra 1 e 6 anni che vivono a Firenze.dell'Africa rurale in un ambiente che possiede le caratteristiche degli insediamenti ad agricoltura di sussistenza dell'età Neolitica.- 15 bambini della stessa età dell'Europa occidentale, sottoposti ad una dieta e viventi in un ambiente tipico del cosiddetto mondo sviluppato Queste 2 diverse popolazioni di bambini offrono un interessante modello per lo studio dell'impatto di molte variabili ambientali sul microbiota intestinale. La dieta dei bambini del Burkina Faso è povera in grassi e proteine animali e ricca di amido, fibre e polisaccaridi delle piante. La dieta è prevalentemente vegetariana. Tutti gli alimenti sono completamente prodotti localmente, coltivati e raccolti nelle vicinanze del villaggio. La dieta consiste principalmente di cereali (miglio, sorgo), legumi (fagioli locali chiamati Niébé) e vegetali. Il contenuto in carboidrati, fibre e proteine non animali è perciò alto. Solo raramenteè mangiata carne di pollo o termiti. Questi bambini africani sono stati alimentati con latte materno fino a 2 anni d'età. I bambini europei sono stati nutriti con latte materno fino a 1 anno e sono stati quindi alimentati con una tipica dieta dei Paesi occidentali, ricca in proteine animali, zucchero, amido e grassi e povera in fibre. Strategia sperimentale applicata: approccio metagenomico basato sul sequenziamento delle regioni ipervariabili V5 e V6 del gene 16s rRNA. Dendrogramma basato sui generi batterici individuati nei campioni dei 29 bambini inclusi nello studio: il sub-cluster presente al centro del dendrogramma contiene gli unici campioni che non possono essere nettamente attribuiti al gruppo africano o al gruppo europeo. Questi campioni corrispondono ai tre bambini più giovani del Burkina Faso (16BF, 3BF e 4BF, rispettivamente 1,2 e 2 anni d'età) e ai due europei più giovani (2EU e 3EU aventi un anno d'età). Tenuto conto

Che, come precedentemente specificato, i bambini del villaggio africano sono nutriti con latte materno fino ai 2 anni d'età mentre quelli europei fino a 1 anno, pare che le marcate differenze tra i 2 gruppi di bambini derivino dalla loro dieta dopo lo svezzamento.

Composizione del microbiota intestinale dei due gruppi di bambini: più del 94% delle sequenze di tutti i campioni appartenevano alle divisioni Actinobacteria, Bacteroidetes, Firmicutes e Proteobacteria. Sono state trovate differenze significative nelle proporzioni di queste divisioni batteriche: Actinobacteria e Bacteroidetes erano molto più abbondanti nei bambini africani che in quelli europei (10,1% vs 6,7% e 57,7% vs 22,4%, rispettivamente). Invece, negli europei erano più abbondanti i Firmicutes (66,7% vs 27,3%) e i Proteobacteria (6,7% vs 0,8%).

I quattro generi Prevotella, Xylanibacter (Bacteroidetes), Treponema (Spirochaetes) e Butyrivibrio (Firmicutes) erano presenti esclusivamente nei bambini africani.

Èipotizzato che la presenza di questi generi possa essere una conseguenza dell'elevata assunzione di fibra, che conduce ad una migliore estrazione di energia da questi carboidrati indigeribili. Questi gruppi microbici, infatti, sono in grado di utilizzare xilani, xilosio e carbossimetilcellulosa producendo elevate quantità di acidi grassi a corta catena (SCFAs). Quantità di SCFAs nelle due popolazioni: intake di fibraà diminuzione del bilancio di kcal giornalieri. I batteri dell'intestino umano si sono specializzati nell'utilizzare le fibre non digeribili per riuscire a produrre SCFAs. Questo studio ha inoltre evidenziato una più grande ricchezza e biodiversità (alfa-diversità) microbica nei campioni dei bambini africani: Una delle conclusioni, forse quella più ampia del lavoro, è che la diversità mondiale e globale del microbioma rappresenta una miniera di studi finalizzati per scoprire il ruolo del microbiota.

intesinale nell'equilibrio tra salute e malattia. 62Take home messages:

1. Il microbiota intestinale coevolve con l'ospite umano
2. La dieta, in particolare i carboidrati, sono i principali promotori della coevoluzione tra microbiota intestinale e ospite umano.

Il microbiota intestinale umano, dunque, è coevoluto con il suo ospite al fine di ottenere un recupero ottimale dell'energia dalla dieta (principalmente di carboidrati). Quali conseguenze può avere questa capacità del microbiota nel mondo occidentale contemporaneo? INTERAZIONE TRA MICROBIOTA INTESTINALE E OBESITÀ.

È al fine di determinare se il microbiota e il suo contenuto in geni (microbioma) sono un fattore che contribuisce all'obesità, è stato caratterizzato l'ecosistema microbico del cieco in topigeneticamente obesi (ob/ob) e dei loro fratelli magri (+/+ o ob/+) attraverso:

1. 16s rRNA gene profiling;
2. sequenziamento shotgun del DNA metagenomico.

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