Title (eng)
Dynamics of associations between host-derived microRNAs with human gut microbiota
Parallel title (deu)
Dynamik der Assoziationen zwischen vom Wirt abgeleiteten MicroRNAs und menschlicher Darmmikrobiota
Author
Kayla Jean Flanagan
Advisor
David Berry
Assessor
David Berry
Abstract (deu)
Der menschliche Darm beherbergt eine vielfältige und komplexe Gemeinschaft von Mikroorganismen, die als Darmmikrobiota bekannt ist, und stellt eine der größten und dynamischsten Schnittstellen zwischen kommensalen Mikrobiota, Umweltfaktoren sowie der Immunität und dem Stoffwechsel des Wirts dar. Neben einem besseren Verständnis der Rolle des Darmmikrobioms und seiner Wechselwirkungen mit anderen Wirtssystemen, haben sich mehrere Studien auf die Mechanismen der Regulierung und Modulation des Darmmikrobioms konzentriert. Ein regulatorisches Molekül von besonderem Interesse sind MicroRNAs (miRNAs), kleine, nicht-kodierende regulatorische RNAs, die nachweislich die posttranskriptionelle Repression und den Abbau von Boten-RNAs steuern. Frühere Studien haben erfolgreich verschiedene miRNAs im menschlichen Darmlumen identifiziert und darüber hinaus eine komplexe Beziehung zwischen miRNAs des Wirts und der Darmmikrobiota aufgedeckt. Dies deutet auf einen möglichen Mechanismus für die Rolle von miRNAs bei der Manipulation des Wirtsmikrobioms hin. In dieser Studie wollen wir die Dynamik dieser Beziehung im Kontext von hsa-miR-21-5p (miR21) identifizieren. MiR21 ist einer miRNA mit einer bekannten Rolle bei der Pathogenese und Entwicklung entzündlicher Darmerkrankungen (IBD). Inkubationen sowohl mit lebenden als auch mit Ethanol-fixierten (toten) mikrobiellen Gemeinschaften aus Stuhlproben wurden unter Zugabe von entweder miR21 oder einer miR21-Scramble-Kontrolle durchgeführt. Nachfolgende Downstream-Analysen, einschließlich Gesamt-RNA-Extraktion, cDNA-Synthese und quantitativer PCR (qPCR), wurden durchgeführt, um die unterschiedliche Assoziation von miR21 und miR21-Scramble über zellfreie und zellreiche Fraktionen der Inkubationen mit lebenden und toten Zellen zu quantifizieren. Unsere Ergebnisse zeigten einen Zusammenhang zwischen Mikrobiota im menschlichen Darm und miRNAs, der nicht sequenzspezifisch ist. Die fluoreszenzaktivierte Zellsortierung mit entweder fluoreszenzmarkiertem miR21 oder miR21-Scramble ergab, dass Mitglieder der Familien Bacteroidaceae, Lachnospiraceae, Lactobacillaceae, Oscillospiraceae, Rikenellaceae und Veillonellaceae überwiegend mit miRNAs assoziieren, die miRNA-Sequenz jedoch nur einen minimalen Einfluss auf die Zusammensetzung der miRNA-assoziierenden Bakteriengemeinschaft hat. Schließlich haben In-vitro-Wachstumsstudien und transkriptomische Analysen an Bacteroides thetaiotaomicron (Bt) in Reinkultur mit verschiedenen kleinen RNA-Molekülen den komplexen Einfluss von miR21 auf die bakterielle Expression aufgeklärt. Die transkriptomische Analyse ergab, dass eine miRNA-Supplementierung die Transkription in Bt signifikant unterdrückt. Interessanterweise wurde jedoch festgestellt, dass miR21 eine Überexpression des Genclusters induziert, der für die L-tryptophan-Biosynthese kodiert. Insgesamt bieten diese Ergebnisse einen umfassenden Überblick über die komplexen Wechselwirkungen zwischen miRNAs und dem Wirtsmikrobiom und geben Einblick in die zugrunde liegenden Mechanismen der miR21-vermittelten Entzündung und ihre Rolle bei der IBD-Pathogenese.
Abstract (eng)
The human gut harbors a diverse and complex community of microorganisms, known as the gut microbiota, and represents one of the largest, most dynamic interfaces between commensal microbiota, environmental factors and host immunity and metabolism. In addition to better understanding the role of the gut microbiome and its interactions with other host systems, several studies have focused on the mechanisms of regulation and modulation of the gut microbiome. One regulatory molecule of particular interest is MicroRNAs (miRNAs), which are small non-coding regulatory RNAs that have been shown to direct post-transcriptional repression and degradation of messenger RNAs. Previous studies have successfully identified various miRNAs present in the human gut lumen and have additionally revealed an intricate relationship between host miRNAs and gut microbiota. This suggests a potential mechanism for the role of miRNAs in the manipulation of the host microbiome. In this study, we aim to identify the dynamics of this relationship, in the context of hsa-miR-21-5p (miR21), a miRNA with a well-established role in the pathogenesis and development of Inflammatory Bowel Diseases (IBD). Incubations with both live and ethanol-fixed (dead) fecal-sample derived microbial communities were set up with the addition of either miR21 or a miR21 scramble control. Subsequent downstream analysis including total RNA extraction, cDNA synthesis and quantitative PCR (qPCR), was performed to quantify the differential association of miR21 and miR21 scramble across cell-free and cell-rich fractions of the live and dead cell incubations. Our findings revealed an association between microbiota in the human gut and miRNAs that is not sequence specific. Fluorescence-activated cell sorting using either fluorescently labelled miR21 or miR21 scramble revealed that species belonging to the families Bacteroidaceae, Lachnospiraceae, Lactobacillaceae, Oscillospiraceae, Rikenellaceae and Veillonellaceae predominantly associate with miRNAs, but that miRNA sequence has a minimal effect on the composition of the miRNA-associating bacterial community. Lastly, in vitro growth studies and transcriptomic analysis on Bacteroides thetaiotaomicron (Bt) in pure culture with different small RNA molecules elucidated the complex impact that miR21 has on bacterial expression. The transcriptomic analysis revealed that miRNA supplementation significantly represses transcription in Bt. However, miR21 interestingly was found to induce overexpression of the gene cluster encoding L-tryptophan biosynthesis. All together, these results provide a comprehensive overview of the complex interactions between miRNAs and host microbiome and gives insight into the underlying mechanisms behind miR21-mediated inflammation and its role in IBD pathogenesis.
Keywords (deu)
DarmmikrobiommiR21fäkale miRNAsMikrobiotavom Wirt abgeleitete miRNAsTranskriptomikbakterielle Genexpressionfluoreszenzaktivierte ZellsortierungBacteroides thetaiotaomicron
Keywords (eng)
Gut microbiomemiR21fecal miRNAsmicrobiotahost-derived miRNAstranscriptomicsbacterial gene expressionfluorecsence-activated cell sortingBacteroides thetaiotaomicron
Subject (deu)
Type (deu)
Persistent identifier
https://phaidra.univie.ac.at/o:1677569
rdau:P60550 (deu)
93 Seiten : Illustrationen
Number of pages
93
Association (deu)
Title (eng)
Dynamics of associations between host-derived microRNAs with human gut microbiota
Parallel title (deu)
Dynamik der Assoziationen zwischen vom Wirt abgeleiteten MicroRNAs und menschlicher Darmmikrobiota
Author
Kayla Jean Flanagan
Abstract (deu)
Der menschliche Darm beherbergt eine vielfältige und komplexe Gemeinschaft von Mikroorganismen, die als Darmmikrobiota bekannt ist, und stellt eine der größten und dynamischsten Schnittstellen zwischen kommensalen Mikrobiota, Umweltfaktoren sowie der Immunität und dem Stoffwechsel des Wirts dar. Neben einem besseren Verständnis der Rolle des Darmmikrobioms und seiner Wechselwirkungen mit anderen Wirtssystemen, haben sich mehrere Studien auf die Mechanismen der Regulierung und Modulation des Darmmikrobioms konzentriert. Ein regulatorisches Molekül von besonderem Interesse sind MicroRNAs (miRNAs), kleine, nicht-kodierende regulatorische RNAs, die nachweislich die posttranskriptionelle Repression und den Abbau von Boten-RNAs steuern. Frühere Studien haben erfolgreich verschiedene miRNAs im menschlichen Darmlumen identifiziert und darüber hinaus eine komplexe Beziehung zwischen miRNAs des Wirts und der Darmmikrobiota aufgedeckt. Dies deutet auf einen möglichen Mechanismus für die Rolle von miRNAs bei der Manipulation des Wirtsmikrobioms hin. In dieser Studie wollen wir die Dynamik dieser Beziehung im Kontext von hsa-miR-21-5p (miR21) identifizieren. MiR21 ist einer miRNA mit einer bekannten Rolle bei der Pathogenese und Entwicklung entzündlicher Darmerkrankungen (IBD). Inkubationen sowohl mit lebenden als auch mit Ethanol-fixierten (toten) mikrobiellen Gemeinschaften aus Stuhlproben wurden unter Zugabe von entweder miR21 oder einer miR21-Scramble-Kontrolle durchgeführt. Nachfolgende Downstream-Analysen, einschließlich Gesamt-RNA-Extraktion, cDNA-Synthese und quantitativer PCR (qPCR), wurden durchgeführt, um die unterschiedliche Assoziation von miR21 und miR21-Scramble über zellfreie und zellreiche Fraktionen der Inkubationen mit lebenden und toten Zellen zu quantifizieren. Unsere Ergebnisse zeigten einen Zusammenhang zwischen Mikrobiota im menschlichen Darm und miRNAs, der nicht sequenzspezifisch ist. Die fluoreszenzaktivierte Zellsortierung mit entweder fluoreszenzmarkiertem miR21 oder miR21-Scramble ergab, dass Mitglieder der Familien Bacteroidaceae, Lachnospiraceae, Lactobacillaceae, Oscillospiraceae, Rikenellaceae und Veillonellaceae überwiegend mit miRNAs assoziieren, die miRNA-Sequenz jedoch nur einen minimalen Einfluss auf die Zusammensetzung der miRNA-assoziierenden Bakteriengemeinschaft hat. Schließlich haben In-vitro-Wachstumsstudien und transkriptomische Analysen an Bacteroides thetaiotaomicron (Bt) in Reinkultur mit verschiedenen kleinen RNA-Molekülen den komplexen Einfluss von miR21 auf die bakterielle Expression aufgeklärt. Die transkriptomische Analyse ergab, dass eine miRNA-Supplementierung die Transkription in Bt signifikant unterdrückt. Interessanterweise wurde jedoch festgestellt, dass miR21 eine Überexpression des Genclusters induziert, der für die L-tryptophan-Biosynthese kodiert. Insgesamt bieten diese Ergebnisse einen umfassenden Überblick über die komplexen Wechselwirkungen zwischen miRNAs und dem Wirtsmikrobiom und geben Einblick in die zugrunde liegenden Mechanismen der miR21-vermittelten Entzündung und ihre Rolle bei der IBD-Pathogenese.
Abstract (eng)
The human gut harbors a diverse and complex community of microorganisms, known as the gut microbiota, and represents one of the largest, most dynamic interfaces between commensal microbiota, environmental factors and host immunity and metabolism. In addition to better understanding the role of the gut microbiome and its interactions with other host systems, several studies have focused on the mechanisms of regulation and modulation of the gut microbiome. One regulatory molecule of particular interest is MicroRNAs (miRNAs), which are small non-coding regulatory RNAs that have been shown to direct post-transcriptional repression and degradation of messenger RNAs. Previous studies have successfully identified various miRNAs present in the human gut lumen and have additionally revealed an intricate relationship between host miRNAs and gut microbiota. This suggests a potential mechanism for the role of miRNAs in the manipulation of the host microbiome. In this study, we aim to identify the dynamics of this relationship, in the context of hsa-miR-21-5p (miR21), a miRNA with a well-established role in the pathogenesis and development of Inflammatory Bowel Diseases (IBD). Incubations with both live and ethanol-fixed (dead) fecal-sample derived microbial communities were set up with the addition of either miR21 or a miR21 scramble control. Subsequent downstream analysis including total RNA extraction, cDNA synthesis and quantitative PCR (qPCR), was performed to quantify the differential association of miR21 and miR21 scramble across cell-free and cell-rich fractions of the live and dead cell incubations. Our findings revealed an association between microbiota in the human gut and miRNAs that is not sequence specific. Fluorescence-activated cell sorting using either fluorescently labelled miR21 or miR21 scramble revealed that species belonging to the families Bacteroidaceae, Lachnospiraceae, Lactobacillaceae, Oscillospiraceae, Rikenellaceae and Veillonellaceae predominantly associate with miRNAs, but that miRNA sequence has a minimal effect on the composition of the miRNA-associating bacterial community. Lastly, in vitro growth studies and transcriptomic analysis on Bacteroides thetaiotaomicron (Bt) in pure culture with different small RNA molecules elucidated the complex impact that miR21 has on bacterial expression. The transcriptomic analysis revealed that miRNA supplementation significantly represses transcription in Bt. However, miR21 interestingly was found to induce overexpression of the gene cluster encoding L-tryptophan biosynthesis. All together, these results provide a comprehensive overview of the complex interactions between miRNAs and host microbiome and gives insight into the underlying mechanisms behind miR21-mediated inflammation and its role in IBD pathogenesis.
Keywords (deu)
DarmmikrobiommiR21fäkale miRNAsMikrobiotavom Wirt abgeleitete miRNAsTranskriptomikbakterielle Genexpressionfluoreszenzaktivierte ZellsortierungBacteroides thetaiotaomicron
Keywords (eng)
Gut microbiomemiR21fecal miRNAsmicrobiotahost-derived miRNAstranscriptomicsbacterial gene expressionfluorecsence-activated cell sortingBacteroides thetaiotaomicron
Subject (deu)
Type (deu)
Persistent identifier
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Number of pages
93
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