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Response of intestinal Escherichia coli to dietary factors in the mouse intestine

Anpassung von Escherichia coli an Ernährungsfaktoren im Intestinaltrakt der Maus

  • Diet is a major force influencing the intestinal microbiota. This is obvious from drastic changes in microbiota composition after a dietary alteration. Due to the complexity of the commensal microbiota and the high inter-individual variability, little is known about the bacterial response at the cellular level. The objective of this work was to identify mechanisms that enable gut bacteria to adapt to dietary factors. For this purpose, germ-free mice monoassociated with the commensal Escherichia coli K-12 strain MG1655 were fed three different diets over three weeks: a diet rich in starch, a diet rich in non-digestible lactose and a diet rich in casein. Two dimensional gel electrophoresis and electrospray tandem mass spectrometry were applied to identify differentially expressed proteins of E. coli recovered from small intestine and caecum of mice fed the lactose or casein diets in comparison with those of mice fed the starch diet. Selected differentially expressed bacterial proteins were characterised in vitro for their possible rolesDiet is a major force influencing the intestinal microbiota. This is obvious from drastic changes in microbiota composition after a dietary alteration. Due to the complexity of the commensal microbiota and the high inter-individual variability, little is known about the bacterial response at the cellular level. The objective of this work was to identify mechanisms that enable gut bacteria to adapt to dietary factors. For this purpose, germ-free mice monoassociated with the commensal Escherichia coli K-12 strain MG1655 were fed three different diets over three weeks: a diet rich in starch, a diet rich in non-digestible lactose and a diet rich in casein. Two dimensional gel electrophoresis and electrospray tandem mass spectrometry were applied to identify differentially expressed proteins of E. coli recovered from small intestine and caecum of mice fed the lactose or casein diets in comparison with those of mice fed the starch diet. Selected differentially expressed bacterial proteins were characterised in vitro for their possible roles in bacterial adaptation to the various diets. Proteins belonging to the oxidative stress regulon oxyR such as alkyl hydroperoxide reductase subunit F (AhpF), DNA protection during starvation protein (Dps) and ferric uptake regulatory protein (Fur), which are required for E. coli’s oxidative stress response, were upregulated in E. coli of mice fed the lactose-rich diet. Reporter gene analysis revealed that not only oxidative stress but also carbohydrate-induced osmotic stress led to the OxyR-dependent expression of ahpCF and dps. Moreover, the growth of E. coli mutants lacking the ahpCF or oxyR genes was impaired in the presence of non-digestible sucrose. This indicates that some OxyR-dependent proteins are crucial for the adaptation of E. coli to osmotic stress conditions. In addition, the function of two so far poorly characterised E. coli proteins was analysed: 2 deoxy-D gluconate 3 dehydrogenase (KduD) was upregulated in intestinal E. coli of mice fed the lactose-rich diet and this enzyme and 5 keto 4 deoxyuronate isomerase (KduI) were downregulated on the casein-rich diet. Reporter gene analysis identified galacturonate and glucuronate as inducers of the kduD and kduI gene expression. Moreover, KduI was shown to facilitate the breakdown of these hexuronates, which are normally degraded by uronate isomerase (UxaC), altronate oxidoreductase (UxaB), altronate dehydratase (UxaA), mannonate oxidoreductase (UxuB) and mannonate dehydratase (UxuA), whose expression was repressed by osmotic stress. The growth of kduID-deficient E. coli on galacturonate or glucuronate was impaired in the presence of osmotic stress, suggesting KduI and KduD to compensate for the function of the regular hexuronate degrading enzymes under such conditions. This indicates a novel function of KduI and KduD in E. coli’s hexuronate metabolism. Promotion of the intracellular formation of hexuronates by lactose connects these in vitro observations with the induction of KduD on the lactose-rich diet. Taken together, this study demonstrates the crucial influence of osmotic stress on the gene expression of E. coli enzymes involved in stress response and metabolic processes. Therefore, the adaptation to diet-induced osmotic stress is a possible key factor for bacterial colonisation of the intestinal environment.show moreshow less
  • Sowohl Humanstudien als auch Untersuchungen an Tiermodellen haben gezeigt, dass die Ernährung einen entscheidenden Einfluss auf die Zusammensetzung der Darmmikrobiota hat. Aufgrund der Komplexität der Mikrobiota und der inter individuellen Unterschiede sind die zellulären Mechanismen, die dieser Beobachtung zugrunde liegen, jedoch weitgehend unbekannt. Das Ziel dieser Arbeit war deshalb, Anpassungsmechanismen von kommensalen Darmbakterien auf unterschiedliche Ernährungsfaktoren mittels eines simplifizierten Modells zu untersuchen. Dazu wurden keimfreie Mäuse mit Escherichia coli MG1655 besiedelt und drei Wochen mit einer stärkehaltigen, einer laktosehaltigen oder einer kaseinhaltigen Diät gefüttert. Mittels zwei dimensionaler Gelelektrophorese und Elektrospray Ionenfallen-Massenspektrometrie wurde das Proteom der intestinalen E. coli analysiert und differentiell exprimierte bakterielle Proteine in Abhängigkeit der gefütterten Diät identifiziert. Die Funktion einiger ausgewählter Proteine bei der Anpassung von E. coli auf die jeweiligeSowohl Humanstudien als auch Untersuchungen an Tiermodellen haben gezeigt, dass die Ernährung einen entscheidenden Einfluss auf die Zusammensetzung der Darmmikrobiota hat. Aufgrund der Komplexität der Mikrobiota und der inter individuellen Unterschiede sind die zellulären Mechanismen, die dieser Beobachtung zugrunde liegen, jedoch weitgehend unbekannt. Das Ziel dieser Arbeit war deshalb, Anpassungsmechanismen von kommensalen Darmbakterien auf unterschiedliche Ernährungsfaktoren mittels eines simplifizierten Modells zu untersuchen. Dazu wurden keimfreie Mäuse mit Escherichia coli MG1655 besiedelt und drei Wochen mit einer stärkehaltigen, einer laktosehaltigen oder einer kaseinhaltigen Diät gefüttert. Mittels zwei dimensionaler Gelelektrophorese und Elektrospray Ionenfallen-Massenspektrometrie wurde das Proteom der intestinalen E. coli analysiert und differentiell exprimierte bakterielle Proteine in Abhängigkeit der gefütterten Diät identifiziert. Die Funktion einiger ausgewählter Proteine bei der Anpassung von E. coli auf die jeweilige Diät wurde im Folgenden in vitro untersucht. E. coli Proteine wie z.B. die Alkylhydroperoxid Reduktase Untereinheit F (AhpF), das DNA Bindeprotein Dps und der eisenabhängige Regulator Fur, deren Expression unter der Kontrolle des Transkriptionsregulators OxyR steht, wurden stärker exprimiert, wenn die Mäuse mit der laktosehaltigen Diät gefüttert wurden. Reportergenanalysen zeigten, dass nicht nur oxidativer Stress, sondern auch durch Kohlenhydrate ausgelöster osmotischer Stress zu einer OxyR abhängigen Expression der Gene ahpCF and dps führte. Weiterhin wiesen E. coli Mutanten mit einer Deletion der ahpCF oder oxyR Gene ein vermindertes Wachstum in Gegenwart von nicht fermentierbarer Saccharose auf. Das spricht dafür, dass OxyR abhängige Proteine eine wichtige Rolle bei der Anpassung von E. coli an osmotischen Stress spielen. Weiterhin wurde die Funktion von zwei bisher wenig charakterisierten E. coli Proteinen untersucht: die 2 Deoxy D Glukonate 3 Dehydrogenase (KduD) wurde im Darm von Mäusen, die mit der laktosehaltigen Diät gefüttert wurden, induziert, während dieses Protein und die 5 Keto 4 Deoxyuronate Isomerase (KduI) nach Fütterung der kaseinhaltigen Diät herunterreguliert wurden. Mittels Reportergenanalysen wurde gezeigt, dass Galakturonat und Glukuronat die kduD und kduI Expression induzierten. KduI begünstigte die Umsetzung dieser Hexuronate. In E. coli wird die Umsetzung von Galakturonat und Glukuronat typischerweise von den Enzymen Uronate Isomerase (UxaC), Altronate Oxidoreduktase (UxaB), Altronate Dehydratase (UxaA), Mannonate Oxidoreduktase (UxuB) und Mannonate Dehydratase (UxuA) katalysiert. Weitere Experimente verdeutlichten, dass osmotischer Stress die Expression der Gene uxaCA, uxaB und uxuAB verminderte. Darüber hinaus zeigten kduID defiziente E. coli Mutanten in Gegenwart von Galakturonat oder Glukuronat und durch Saccharose ausgelösten osmotischen Stress eine Verlangsamung des Wachstums. Das deutet darauf hin, dass KduI und KduD die durch osmotischen Stress bedingten Funktionseinschränkungen der regulären hexuronatabbauenden Enzyme kompensieren. Die beobachtete Bildung von intrazellulären Hexuronaten während des Laktosekatabolismus in vitro stellt eine Verbindung zu dem ursprünglichen Tierexperiment her und deutet darauf hin, dass der Ernährungsfaktor Laktose die Verfügbarkeit von Hexuronat für intestinale E. coli beeinflusst. Diese Studie weist somit den Einfluss von osmotischem Stress auf die Expression von OxyR abhängigen Genen, die für Stressantwortproteine sowie für metabolische Enzymen kodieren, in E. coli nach. Durch Nahrungsfaktoren entstandener osmotischer Stress stellt demnach einen entscheidenden Faktor für die bakterielle Kolonisation des Darmes dar.show moreshow less

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Metadaten
Author:Monique Rothe
URN:urn:nbn:de:kobv:517-opus-66387
Advisor:Michael Blaut
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2013
Publishing Institution:Universität Potsdam
Granting Institution:Universität Potsdam
Date of final exam:2013/06/11
Release Date:2013/07/01
Tag:Ernährungsfaktoren; Escherichia coli; Mikrobiota; OxyR; Proteom
Escherichia coli; OxyR; dietary factors; microbiota; proteome
RVK - Regensburg Classification:WX 1603
Organizational units:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Ernährungswissenschaft
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 57 Biowissenschaften; Biologie / 570 Biowissenschaften; Biologie
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