Analisi multi-omiche relative alla composizione e alla funzionalità del microbiota intestinale dei mammiferi

Abstract

Il tratto gastrointestinale dei mammiferi è colonizzato da una complessa ed eterogenea comunità microbica comprendente batteri, virus, Archaea, funghi e protozoi, che raggiunge la massima densità nell’intestino, dove, nel complesso, i microorganismi costituiscono il cosiddetto microbiota intestinale. Nonostante l’ampia varietà di microorganismi che colonizzano l’intestino dei mammiferi, negli ultimi decenni la comunità scientifica ha rivolto particolare interesse allo studio della componente batterica del microbiota intestinale dal momento che non solo i batteri sono di gran lunga i membri più abbondanti dell’intestino dei mammiferi, ma sono anche coinvolti in un continuo dialogo con l’ospite, giocando così un ruolo fondamentale nell’influenzare lo stato di salute dell’ospite stesso. Tradizionalmente, la caratterizzazione di questo complesso ecosistema batterico prevede metodi coltura-dipendenti che, pur consentendo indagini biochimiche e fisiologiche, non consentono l’isolamento di tutte le specie batteriche che colonizzano l’intestino dei mammiferi, impedendo così di identificare tutti i microorganismi che costituiscono il microbiota intestinale. Tuttavia, il recente avvento di tecniche high-throughput di Next-Generation Sequencing ha permesso di aumentare cosiderevolmente le conoscenze riguardanti il microbiota intestinale consentendo di fare luce sulla composizione tassonomica e sulle attività funzionali svolte dal consorzio microbico intestinale, nonchè sulle dinamiche che regolano la miriade di interazioni microorganismo-microorganismo e microorganismo-ospite. Nello specifico, la combinazione di metodi coltura-dipendenti con tecniche di sequenziamento di nuova generazione ha evidenziato che milioni di anni di co-evoluzione della comunità batterica intestinale con l’ospite hanno contribuito all’instaurarsi di relazioni mutualistiche da cui ambo i soggetti traggono vantaggio. Il microbiota intestinale, infatti, svolge una serie di funzioni metaboliche e fisiologiche che influenzano fortemente la biologia dell’ospite. Tuttavia, nonostante il coinvolgimento del microbiota intestinale nel regolare lo stato di salute dell’ospite, la maggior parte delle richerche scientifiche è per lo più rivolta allo studio e caratterizzazione del microbiota intestinale dell’uomo, limitando così le conoscenze riguardanti l’ecosistema microbico intestinale al solo ambito umano. In questo contesto, lo scopo di questa tesi di Dottorato è quello di esplorare la composizione tassonomica e le attività funzionali svolte dalla comunità batterica intestinale di molteplici specie di mammifero attraverso l’applicazione di un approccio multi-omico comprendente sia tecniche di metagenomica (16S rRNA gene microbial profiling, bifidobacterial ITS microbial profiling e shotgun metagenomics) sia tecniche di metatranscrittomica. Nello specifico, l’obiettivo è quello di esplorare la composizione tassonomica del microbiota intestinale di diverse razze canine sia a livello di genere che di specie (bifidobatteri), nonchè di valutare come questa comunità batterica possa essere modulata da fattori quali dieta, età e influenza antropogenica. Inoltre, al fine di ampliare le conoscenze riguardanti la popolazione batterica intestinale dei due principali animali da compagnia per l’uomo, questa tesi descrive un confronto della composizione batterica intestinale di cani e gatti sia a livello di genere che di specie (bifidobatteri). In aggiunta, fornisce approfondimenti sul ruolo che l’intervento dell’uomo, a causa del processo di domesticazione, ha avuto nel modulare il microbiota intestinale di diverse diadi di mammiferi comprendenti mammiferi addomesticati e dalla loro controparte selvatica. Infine, un ulteriore obiettivo di questa tesi è quello di valutare l’impatto che la dieta e l’anatomia dell’apparato digerente dell’ospite possono avere su composizione, attività funzionali ed espressione genica della comunità batterica intestinale di un ampia gamma di specie di mammifero, compresi erbivori, carnivori, onnivori e piscivori.

The gastrointestinal tract of mammals is inhabited by a highly complex and extremely heterogeneous microbial community, including bacteria, viruses, archaea, fungi and protozoa, which reaches the highest density in the intestine where microorganisms form the so-called gut microbiota. Despite the wide variety of microorganisms that may colonize the mammalian intestine, in recent decades scientists have paid particular interest to the study of the bacterial component of the intestinal microbial consortium since not only bacteria are by far the most abundant members of the mammalian intestine, but they are also involved in a continuous dialogue with the host ultimately affecting its health. Traditionally, the characterization of this bacterial ecosystem was based on culture-dependent methods which, although allowing biochemical and physiological investigations, do not allow the isolation of all bacterial species colonizing the mammalian intestine, thus failing to identify all players of the intestinal microbial community. However, at the beginning of the current century, the advent of the Next-Generation Sequencing high-throughput techniques have exponentially increased our knowledge concerning the gut microbiota, allowing us to shed light on the taxonomic composition and functional activities performed by the overall intestinal microbial consortium as well as on the dynamics regulating the myriad of microbe-microbe and microbe-host interactions. Specifically, the combination of culture-dependent methods and high-throughput sequencing techniques revealed that millions of years of co-evolution between the intestinal microbial community and its host have contributed to the establishment of various trophic interactions such as mutualistic relationships from which both parties benefit. Indeed, the gut microbiota performs a series of metabolic and physiological functions that influence host biology. However, despite the influence of the intestinal microbiota on host health, most research seems to study and characterize this microbial community exclusively to humans, thus limiting our understanding of the intestinal ecosystem of non-human hosts. In this context, the aim of this PhD thesis is to explore the taxonomic composition and functional activities performed by the intestinal bacterial community of various mammalian species through the application of a multi-omics approach involving both metagenomics (16S rRNA gene microbial profiling, bifidobacterial ITS microbial profiling and shotgun metagenomics) and metatranscriptomics techniques. Specifically, it aims to explore the taxonomic composition of the gut microbiota of various canine breeds at both genus and bifidobacterial species level and to assess how this bacterial community may be modulated by diet, age and anthropogenic influences. Furthermore, in order to extend our knowledge on the intestinal microbial population of the two principal companion animals for humans, this thesis describes a comparison of the intestinal bacterial composition of dogs and cats at genus and bifidobacterial species levels. In addition, it provides in depth insights into the role that human intervention, due to the domestication process, has played in modulating the gut microbiota of several domesticated-feral mammalian dyads. Finally, a further purpose of this thesis is to evaluate the impact that diet and host digestive system anatomy may have had on the composition, functional activities and gene expression of the intestinal microbial community of a wide spectrum of mammalian hosts distributed along the branches of the tree of life, including herbivores, carnivores, omnivores and piscivores.