Use of the Oligo-Mouse-Microbiota to generate standardized gnotobiotic mouse lines and to investigate mechanisms underlying E. coli-mediated colonization resistance against Salmonella enterica serovar Typhimurium

Eberl, Claudia (2022): Use of the Oligo-Mouse-Microbiota to generate standardized gnotobiotic mouse lines and to investigate mechanisms underlying E. coli-mediated colonization resistance against Salmonella enterica serovar Typhimurium. Dissertation, LMU München: Medizinische Fakultät

Abstract

The gut microbiota fulfills many beneficial tasks for its host, such as the breakdown of complex carbohydrates, training of the immune system and the protection against enteric pathogens, a phenomenon termed colonization resistance. Due to the high complexity of the gut microbiota and the limitation of appropriate tools, it has been challenging to pin down the causal role of individual bacteria to microbiota functions including colonization resistance and to identify protective species. Bottom-up approaches involving synthetic microbial communities composed of culturable microorganisms provide a means for functional studies. The Oligo-Mouse-Microbiota (OMM12) is a synthetic bacterial community that consists of 12 bacterial isolates assigned to the 5 most abundant phyla found in the conventional mouse intestine (Brugiroux et al., 2016). This community is nowadays established in many different mouse facilities worldwide and is used by groups working in various areas of functional gut microbiome research. To increase the experimental reproducibility between different research teams using this model, we aimed to establish a standardized inoculation protocol for the colonization of germ-free mice with the OMM12 consortium. To compare the reproducibility of the protocol and to find out if varying housing conditions have an impact on the microbial community structure, we included five different European animal facilities in our study. We could show that the bacterial consortium reaches a stable community composition within 2 weeks after the inoculation of germ-free mice in all tested facilities. Furthermore, a second application of the OMM12 bacteria after 3 days clearly increases the rate of successful inoculation of specific, oxygen-sensitive members of the consortium in comparison to a single application. Overall, no significant differences in the microbial community composition could be detected between the tested facilities. Thus, we established a protocol, which assures successful implementation of the OMM12 model by a wide research community (Eberl et al., 2020). Using the OMM12 mouse model, we further investigated the protective role of individual commensal bacteria during Salmonella enterica serovar Typhimurium (S. Tm) infections. Mice stably colonized with this synthetic community exhibit intermediate colonization resistance against S. Tm in comparison to mice colonized with the Altered Schaedler Flora (ASF) and mice with conventional microbiota. In a previous study it was shown that the addition of three facultative anaerobic bacteria (Escherichia coli, Staphylococcus xylosus, Streptococcus danieliae) to the OMM12 results in a conventional-like colonization resistance (Brugiroux et al., 2016). Here, we further dissected the role of facultative anaerobic bacteria in colonization resistance and discovered that E. coli is solely responsible for the restored colonization resistance against S. Tm in this model, while S. danieliae and S. xylosus are dispensable. Furthermore, we could show that E. coli-mediated protection depends on the microbial context, as E. coli does not increase colonization resistance against S. Tm in ASF mice. Using RNAseq, we found out that E. coli utilizes a high number of different carbon sources in ASF mice. In contrast, in OMM12 mice only a few genes involved in carbon metabolism are upregulated (e.g. for galactitol utilization). Furthermore, E. coli decreases the galactitol levels in the gut of OMM12 mice and an E. coli mutant deficient in utilizing galactitol is impaired in providing colonization resistance against S. Tm infection. Hence, E. coli provides colonization resistance against S. Tm by depleting galactitol, a limiting carbon source in those mice. Additionally, we demonstrated that two members of the OMM12 consortium, Blautia coccoides YL58 and Enterocloster clostridioformis YL32 (both Lachnospiraceae), that can consume a variety of C5 and C6 sugars available in the gut, contribute to E. coli-mediated colonization resistance by creating a carbohydrate restricted environment. In summary, this established the concept that E. coli can only provide colonization resistance in a microbial context capable of removing simple sugars from the intestine (Eberl et al., 2021).

Abstract

Die Darmmikrobiota erfüllt viele nützliche Aufgaben für ihren Wirt, wie den Abbau komplexer Nährstoffe, das Training des Immunsystems und den Schutz vor enterischen Krankheitserregern, auch Kolonisierungsresistenz genannt. Aufgrund der hohen Komplexität der Darmmikrobiota und fehlender Untersuchungsmethoden ist es schwierig, den Beitrag einzelner Bakterien spezifischen Funktionen (z.B. Kolonisierungsresistenz) zuzuordnen und schützende Bakterien zu identifizieren. Die verringerte Komplexität von synthetischen Bakterienkonsortien, die aus kultivierbaren Darmisolaten zusammengestellt sind, bietet die Möglichkeit funktionelle Studien durchzuführen. Die Oligo-Maus-Mikrobiota (OMM12) ist ein synthetisches Bakterienkonsortium, das vor wenigen Jahren in meiner Forschungsgruppe etabliert wurde (Brugiroux et al., 2016). Dieses synthetische Konsortium besteht aus 12 unterschiedlichen bakteriellen Isolaten, die den 5 am häufigsten vorkommenden Phyla im Gastrointestinaltrakt von konventionellen Mäusen angehören. Die OMM12 wurde für die funktionelle Mikrobiomforschung im Mausmodell entwickelt und wird heute weltweit von vielen wissenschaftlichen Arbeitsgruppen in unterschiedlichsten Forschungsbereichen verwendet. Zur Erhöhung der experimentellen Reproduzierbarkeit zwischen unterschiedlichen Forschungseinrichtungen, wollten wir ein standardisiertes Inokulationsprotokoll für die Besiedlung keimfreier Mäuse mit dem OMM12 Konsortium etablieren. Um die Effizienz des entwickelten Protokolls zu vergleichen und herauszufinden, ob unterschiedliche Haltungsbedingungen einen Einfluss auf die Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaft haben, wurden 5 europäische Tiereinrichtungen in die Studie eingeschlossen. Es konnte gezeigt werden, dass die Bakterien innerhalb von 2 Wochen nach der Inokulation von keimfreien Mäusen in allen getesteten Einrichtungen eine stabile Gemeinschaft bilden. Des Weiteren kann die Rate der erfolgreichen Kolonisierung spezifischer, Sauerstoff-sensitiver Bakterien deutlich durch eine zweite Inokulation der Mäuse mit den OMM12 Bakterien nach 3 Tagen erhöht werden. Insgesamt konnten keine signifikanten Unterschiede in der Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaft zwischen den getesteten Einrichtungen festgestellt werden. Somit haben wir ein Protokoll etabliert, dass eine erfolgreiche Implementierung des OMM12 Modells in verschiedenen Forschungseinrichtungen ermöglicht (Eberl et al., 2020). Des Weiteren haben wir das OMM12 Mausmodell dazu verwendet, um die schützenden Funktionen einzelner kommensaler Bakterien während Salmonella enterica serovar Typhimurium (S. Tm) Infektionen zu untersuchen. Mäuse, die stabil mit diesem Konsortium besiedelt sind, weisen eine intermediäre Kolonisierungsresistenz gegen S. Tm auf, verglichen mit Mäusen, die mit der Altered Schaedler Flora besiedelt wurden und Mäusen mit konventioneller Mikrobiota. In einer früheren Studie konnte gezeigt werden, dass die Zugabe von drei fakultativ anaeroben Bakterien (Escherichia coli, Staphylococcus xylosus, Streptococcus danieliae) zum OMM12 Konsortium zu einer Kolonisierungsresistenz führt, die der von Mäusen mit einer komplexen Mikrobiota ähnelt (Brugiroux et al., 2016). Hier wurde die Rolle der fakultativ anaeroben Bakterien weiter untersucht und herausgefunden, dass in diesem Modell E. coli allein für die Kolonisierungsresistenz gegen S. Tm verantwortlich ist, während S. danieliae und S. xylosus entbehrlich sind. Außerdem konnte gezeigt werden, dass der durch E. coli vermittelte Schutz vom mikrobiellen Kontext abhängt, da E. coli in ASF Mäusen die Kolonisationsresistenz gegen S. Tm nicht erhöhen kann. Mittels RNAseq wurde festgestellt, dass E. coli in ASF Mäusen viele verschiedene Kohlenstoffquellen nutzen kann. Im Gegensatz dazu, wurden in OMM12 Mäusen nur wenige Gene hochreguliert, die am Kohlenstoffstoffwechsel beteiligt sind (z. B. für die Galactitol-Metabolisierung). Wir konnten zeigen, dass E. coli den Galactitolspiegel im Darm von OMM12 Mäusen senkt und dass die Besiedlung von OMM12 Mäusen mit einer E. coli Mutante, die Galactitol nicht verstoffwechseln kann, zu signifikant erhöhten S. Tm Zahlen führt. Daraus kann man schließen, dass E. coli durch das Depletieren der limitierenden Kohlenstoffquelle Galactitol in OMM12 Mäusen die Kolonisierungsresistenz gegen S. Tm vermittelt. Zwei Mitglieder des OMM12 Konsortiums, Blautia coccoides YL58 und Enterocloster clostridioformis YL32 (beide Lachnospiraceae), sind in der Lage viele im Darm frei verfügbare C5 und C6 Zucker zu konsumieren und zur E. coli vermittelten Kolonisierungsresistenz beizutragen, indem sie eine kohlenhydratarme Umgebung schaffen. Daraus kann man schließen, dass E. coli Kolonisierungsresistenz gegen S. Tm nur in einem mikrobiellen Kontext vermitteln kann, indem leicht verwertbare Zucker von der restlichen Mikrobiota depletiert werden (Eberl et al., 2021).

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Themengebiete: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften ; 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 610 Medizin und Gesundheit
• Fakultäten: Medizinische Fakultät
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 29. April 2022
• 1. Bericht­erstatter:in: Stecher-Letsch, Barbara