Mitä suoli edellä, sitä aivot perässä Erkki Eerola Turun yliopisto
N Engl J Med, Vol. 347, No. 12 September 19, 2002
Päämenetelmät bakteerien osoittamiseen näytteistä Bakteeriviljely Bakteereiden komponenttien suora toteaminen Immuunivasteen toteaminen Bakteeriperäisen DNA:n toteaminen Lajispesifinen PCR Lajispesifiset DNA-koettimet 16s-rDNA PCR ja sekvensointi
Bakteerilajeista Viljely ollut tähän saakka päämenetelmä bakteerien toteamisessa Valtaosaa ympäristönäytteissä ja kliinisissä näytteissä olevista bakteerilajeista ei tällä hetkellä pystytä viljelemään 2% lajeista ympäristönäytteissä viljeltävissä Alle 50% ihmisen mikrobistosta viljeltävissä Tähän mennessä nimettyjä bakteerilajeja 10 000 Lajien määrä arvioitu olevan 100 000 1000 000
16S rdna bakteerien tutkimisessa - Todetaan PCR-menetelmällä näytteestä - Käytetään bakteerien identifioinnissa - Käytetään bakteerien toteamiseen suoraan näytteestä - Ns. PCR universaalialukkeet tunnistavat 16S geenit kaikista lajeista - PCR tuote sekvensoidaan - Sekvenssiä verrataan tietopankkeihin - DNA-sekvenssi lajikohtainen - DNA-sekvenssierot korreloivat lajien fylogeneettisiin eroihin
Secondary structure of E coli / B fragilis 16S ribosomal RNA
Taxonomic structure of the present life forms INFECTION AND IMMUNITY, Feb. 2003, p. 591 596 Vol. 71, No. 2 0019-9567/03/$08.000 DOI: 10.1128/IAI.71.2.591 596.2003 Copyright 2003, American Society for Microbiology. All Rights Reserved.
Mikrobiston ekologia Tähän mennessä suoliston mikrobidiagnostiikka on kohdentunut yksittäisten patogeenisten lajien toteamiseen Menetelmiä mikrobiekologian tutkimiseen ei ole ollut olemassa Uudet DNA-sekvensointiin perustuvat menetelmät mahdollistavat mikrobiston analysoinnin yhtenä kokonaisuutena
Metagenomiikka NGS (Next generation sequencing) bakteeridiagnostiikassa - Kaikkien näytteissä olevien bakteereiden 16S geenien detektointi samanaikaisesti yhdessä analyysissa - Saadaan miljoonia sekvenssejä / näyte - Saadaan näytteen kaikkien bakteereiden määräjakautuma - Mahdollistaa ekologisen analyysin näytteestä, jossa satoja bakteerilajeja - Kallista - Kustannukset laskeneet sille tasolle että on mahdollista käyttää näytteiden diagnostisessa tutkimuksessa
NGS analyysin tavoitteet suolistonäytteiden tutkimisessa - Tunnistaa kaikki näytteessä olevat bakteerilajit kvantitatiivisesti yhdellä analyysillä - Analysoida mikrobiston koostumus - Lajien määrä, suhteelliset määräosuudet - Diversiteetti - Erot yksilöiden välillä - Analysoida suolen mikrobiston muutokset eri kliinisissä tiloissa - Toistaiseksi tehty havaintoja perustuen yksittäisiin näytteisiin tai pieniin materiaaleihin
Human gut microbiota Sequence analysis of 124 fecal samples from Europeans 3,3 million microbial genes 99,1 % were of bacterial origin Rest were archae, eucayotes and viruses 5 % of known protein genes were prophages 1000-1150 bacterial species (phylotypes) 80% were earlier unknown 160 species were commonly shared 75 spp. common >50 %:lla study objects 57 spp. Common in >90 %:lla Qin ym. Nature 2010;464:59-65 Ley R et al. Cell 2006; 124:837-48 13
Gut microbial dysbiosis associated with disease. The relative abundances of the predominant bacterial phyla: in caecal samples from patients with inflammatory bowel disease (using clone libraries for bacterial identification) 17 (part a); in faecal samples from ten healthy controls and ten patients with type 2 diabetes (using pyrosequencing) 16 (part b); and in faecal samples from ten healthy infants and ten infants with necrotizing enterocolitis (using clone libraries) 18 (part c).
Suoliston mikrobiston muutokset kliinisissä tiloissa IBS, IBD Autoimmuunitaudit Liikalihavuus ja metaboliset oireyhtymät Syöpä Allergiat Psykiatriset häiriöt (depressio, autismi )
Brains and gut
The interplay between the intestinal microbiota and the brain Nature Reviews Microbiology 10, 735-742 Microbiome: B. fragilis and the brain Nature Reviews Microbiology 12, 76-77 The gut microbiota and obesity: from correlation to causality Nature Reviews Microbiology 11, 639-647 Your gut microbiota are what you eat Nature Reviews Microbiology 12, 8-8 The gut microbiota masters of host development and physiology Nature Reviews Microbiology 11, 227-238 Viral evolution: Variation in the gut virome Nature Reviews Microbiology 11, 596-597 Host response: Probiotic ingestion alters mood Nature Reviews Microbiology 9, 766-766
Suoliston mikrobit vaikutuksia keskushermostoon Autoimmuunitautien aktivaatio, MS-tauti aktivaatio Suolistomikrobit neurometaboliitit vaikutus käyttäytymiseen Suolistomikrobit, vaikutus keskushermoston kehittymiseen Vaikutus ahdistumiseen Autismi Dieetti, kuidut, mikrobisto glukoosiaineenvaihdunta - energiametabolia Bakteerisiirrot germ-free eläimillä - käytösvaikutukset
Figure 3. Permutation analysis of the active bacterial genera found in feces of children. De Angelis M, Piccolo M, Vannini L, Siragusa S, et al. (2013) Fecal Microbiota and Metabolome of Children with Autism and Pervasive Developmental Disorder Not Otherwise Specified. PLoS ONE 8(10): e76993. doi:10.1371/journal.pone.0076993 http://www.plosone.org/article/info:doi/10.1371/journal.pone.0076993
Children with Autism and Gastrointestinal Disturbances mbio 2012; 3(1): doi:10.1128/mbio.00261-11.
Normal gut microbiota modulates brain development and behavior (www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1010529108, 2011) SPF = specific pathogen free mice (N= 6) GF = germ-free mice (N=5) Gene heatmap of A = hippocampus B = frontal cortex C= striatum Relative levels of gene expression Red = high, green = low
Environmental chemicals, obesity and diabetes Variations in gut microbiota are likely to affect human toxicodynamics and increase individual exposure to obesogenic and diabetogenic chemicals. Combating the global obesity and diabetes epidemics requires a multifaceted approach that should include greater emphasis on understanding and controlling the impact of interindividual gut microbe variability on the disposition of environmental chemicals in humans. Snedeker SM, Hay AG. Do Interactions Between Gut Ecology and Environmental Chemicals Contribute to Obesity and Diabetes? Environ Health Perspect 120:332 339 (2012).
Hypothesis: bacteria control host appetites Bacteria both recognize and synthesize neuroendocrine hormones and this has led to the hypothesis that microbes within the gut comprise a community that forms a microbial organ interfacing with the mammalian nervous system that innervates the gastrointestinal tract, the enteric nervous system The enteric nervous system uses over 30 neurotransmitters: acetylcholine, dopamine, and serotonin. Norris V et al. J Bacteriol 2012; doi:10.1128/jb.01384-12
Hypothesis: bacteria control host appetites Few studies implicate the gut microbiota in mood disorders and suggest that bacteria have the capacity to manipulate our feelings via for example actions on dopamine and peptides involved in appetite such as glucagon-like peptide 1 and peptide YY. Indeed, it was found that C. jejuni could induce an anxiety-like behaviour in mice and it was proposed that this involved the vagal pathway. Norris V et al. J Bacteriol 2012; doi:10.1128/jb.01384-12
Antibiotics and banana flies When the isolated populations were mixed, molasses flies preferred to mate with other molasses flies and starch flies preferred to mate with other starch flies. Antibiotic treatment abolished mating preference, suggesting that the fly microbiota was responsible for the phenomenon. Sharon G et al. PNAS 2010;107:20051 56
Mikrobistoanalyysit Avoimia kysymyksiä, mikä on tärkeää Yksittäisten lajien kliininen merkitys - Faecalibacterium prausnitzii - anti inflammatorinen - Akkermansia muciniphila - yhteys lihavuuteen - Sutterella wadsworthensis - yhteys autismiin Ekologiassa lajien määräosuuksien merkitys - Esiintykö laji ollenkaan vai ei - Suhteellinen määrä (%) kokonaisbakteereista - Absoluuttinen määrä (kpl/g ulostetta) Bakteerisukujen suhteellinen osuus Näyte mitä analysoidaan Ulosteen bakteerit / limakalvolla olevat bakteerit Bakteeridiversiteetti
Turun yliopiston kliinisten näytteiden metagenomiikkaprojekti Mukana olevat yksiköt Lääketieteellinen mikrobiologia ja immunologia Lääketieteellinen genetiikka Biotekniikan keskus Kehitetään menetelmät kliinisten näytteiden mikrobiston analysointiin ja laajojen potilasmateriaalien vertailuun DNA-eristys ja PCR-menetelmien optimointi Näytteiden sekvensointi Bioinformatiikka Analyysilaitteiston kokoaminen Analyysiohjelmistojen valinta ja hankinta Henkilöstö Järjestelmä kehitetään alkuun tutkimuskäyttöön ja tavoitteena selvittää mahdollisuudet kliinisten näytteiden diagnostiseen analyysiin 15.10.2014 30