Suolistomikrobiston koostumuksen erot HCR- ja LCR -rotilla ja yhteys viskeraalisen rasvakudoksen geenien ilmentymiseen

Abstract

Hongisto, T. 2016. Suolistomikrobiston koostumuksen erot HCR- ja LCR -rotilla ja yhteys viskeraalisen rasvakudoksen geenien ilmentymiseen. Terveystieteiden laitos, Jyväskylän yliopisto, Liikuntalääketieteen pro gradu -tutkielma, 62s, 4 liitettä.

Suolistomikrobistolla on osoitettu olevan merkittäviä vaikutuksia isännän terveyteen. Se vaikuttaa muun muassa lihavuuden kehittymiseen. Elimistön rasvan määrän vaihtelun on puolestaan havaittu vaikuttavan suolistomikrobiston koostumukseen. Sekä synnynnäisen että hankitun aerobisen kapasiteetin yhteyttä suolistomikrobistoon ei ole juuri tutkittu. Tämän tutkimuksen tarkoituksena on selvittää suolistomikrobiston koostumuksen ja viskeraalisen rasvakudoksen tulehdukseen ja rasva-aineenvaihduntaan liittyvien geenien ilmentymisen eroja synnynnäiseltä aerobiselta kapasiteetilta poikkeavilla rotilla. Lisäksi tarkoituksena on selvittää suolistomikrobiston koostumuksen yhteyttä viskeraalisen rasvakudoksen geenien ilmentymiseen.

Tutkimuksessa käytettiin kahta synnynnäiseltä aerobiselta kapasiteetilta eroavaa rottakantaa, joita olivat HCR- (High Capacity Runner) ja LCR (Low Capacity Runner) -rotat. Nämä rottakannat on kehitetty Michiganin yliopistossa synnynnäisen aerobisen kapasiteetin ja erilaisten terveystekijöiden yhteyden tutkimiseen. Tässä tutkimuksessa käytetyt kahdeksan HCR -rottaa ja kymmenen LCR -rottaa olivat alkuperäisten rottien jälkeläisiä 36. polvessa. Rotilta kerättiin näytteet suolistosta ja viskeraalisesta rasvakudoksesta. Suolistomikrobiston koostumusta analysoitiin 16S rRNA geenin tunnistukseen perustuvalla sekvensoinnilla (Illumina MiSeq). Data-analyysi suoritettiin Qiime - ja Kraken -ohjelmilla. Viskeraalisesta rasvakudoksesta tutkittiin puolestaan seitsemän geenin ilmentymisen eroja qPCR-menetelmällä.

Qiime -analyysi luokitteli suolistomikrobiston pääjaksoihin, heimoihin ja sukuihin, ja Kraken -analyysi lisäksi lajeihin. Rottakantojen välillä tilastollisesti merkitsevästi eroavat pääjaksot (1kpl), heimot (3kpl) ja suvut (3kpl) olivat erilaisia Qiime - ja Kraken -analyysien perusteella. Lisäksi Kraken -analyysi löysi kolme tilastollisesti merkitsevästi eroavaa lajia. Seitsemästä geenistä neljän ilmentymisessä oli tilastollisesti merkitsevästi eroa siten, että tulehdukseen liittyvät geenit IL1B ja CD45 ilmentyivät enemmän HCR -rotilla ja tulehdukseen liittyvä geeni TLR5 ja rasva-aineenvaihduntaan liittyvä geeni AdipoQ ilmentyivät enemmän LCR -rotilla. Rottakantojen välillä tilastollisesti merkitsevästi eroavien bakteeriryhmien ja tutkittujen geenien väliltä löytyi yhteyksiä.

Vaikka aikaisemmat tutkimukset ovat havainneet LCR -rotilla metabolisen oireyhtymän merkkejä, näitä ei havaittu tässä tutkimuksessa, mikä saattaa johtua rottien nuoresta iästä. Useat tässä tutkimuksessa havaitut tilastollisesti merkitsevästi eroavat bakteeriryhmät on yhdistetty aiemmissa tutkimuksissa lihavuuteen. Kaikkia näitä lihavuuteen yhdistettyjä bakteeriryhmiä havaittiin enemmän LCR -rotilla. Tällaisia bakteeriryhmiä olivat esimerkiksi Actinobacteria - pääjakso ja Phascolarctobacterium -suku. Merkittävää oli, että HCR -rotilla kahden tulehdukseen liittyvän geenin ilmentyminen oli korkeampaa kuin LCR -rotilla. Geeneillä TLR5 ja AdipoQ, jotka ilmentyivät enemmän LCR -rotilla, havaittiin olevan positiivinen yhteys niihin bakteeriryhmiin, joita löytyi tilastollisesti merkitsevästi enemmän juuri LCR – rotilta. HCR -rotilla havainnot olivat samanlaisia eli geenien IL1B ja CD45 ilmentymisen ja HCR – rotilta tilastollisesti merkitsevästi runsaammin löytyneiden bakteeriryhmien välillä havaittiin positiivista yhteyttä.

Hongisto, T. 2016. Differences in gut microbiota composition of the LCR and the HCR rats and association with the expression of genes in adipose tissue. Department of Health Science, University of Jyväskylä, Master’s thesis in Sports and Exercise Medicine, 62 pages, 4 appendices.

The gut microbiota has significant effects on the health of the host organism, for example, on the development of obesity. In turn, changes on the body fat content influence the composition of gut microbiota. How innate or the acquired aerobic capacity affects the gut microbiota is scarcely studied. The purpose of this study was to examine differences in gut microbiota composition and expression of visceral adipose tissue genes between rats with different intrinsic aerobic capacity and the connection of the gut microbiota composition to the expression of visceral adipose tissue genes.

This study used two rat strains, HCR (High Capacity Runner) and LCR (Low Capacity Runner) rats, which have different innate aerobic capacity. These rat strains have been developed by the University of Michigan to study the connection of innate aerobic capacity with different health factors. Eight HCR and 10 LCR rats used in this study are the generation 36 of the original rats. The intestinal contents and visceral adipose tissue samples were collected from the rats. The composition of the gut microbiota was analyzed by sequencing (Illumina MiSeq) which is based on identification of 16S rRNA gene. Data analysis was performed by Qiime and Kraken programs. From the visceral adipose tissue samples, the expression differences of seven genes were studied using qPCR.

The Qiime program classifies the gut microbiota in phyla, class and genus, in addition to this the Kraken program classifies also in species. Statistically significant phyla, classes and genera were different between the Qiime and the Kraken programs. Three species differed significantly between the rat strains. Four of the seven genes differed significantly between the rat strains so that two genes associated with inflammation, IL1B and CD45, were expressed more in HCR rats and TLR5, also a gene associated with inflammation and lipid-metabolism related AdipoQ gene, manifested more in LCR rats. Correlations between all the statistically significant microbe groups and examined genes were obtained.

Although previous studies have found that LCR rats have some signs of metabolic syndrome, those were not observed in this study, probably due to young age of rats. A number of statistically significantly different groups of microbes observed in this study have been linked to obesity in previous studies. All of these obesity linked groups of microbes were found more in LCR rats. Such, for example, were phylum Actinobacteria and genus Phascolarctobacterium. Furthermore, two genes related to inflammation manifested more in HCR rats than in LCR rats. There was a positive correlation between genes that manifested more in LCR rats, and microorganisms that were found more in LCR rats. The findings in HCR rats were similar so that a positive correlation was found between genes that manifested more in HCR rats, and microorganisms that were found more in HCR rats.