Nahrungsprotein verändert die Art und Weise, wie Cholerabakterien den Darm besiedeln

Nahrungsprotein verändert die Art und Weise, wie Cholerabakterien den Darm besiedeln

Neue Forschungsergebnisse zeigen, dass das, was wir essen, bis hin zur Art des Nahrungsproteins, das Gleichgewicht zwischen Vibrio cholerae und der Darmmikrobiota beeinflussen und die bakterielle Konkurrenz und das Krankheitspotenzial während einer Cholera-Infektion verändern kann.

Eine aktuelle Studie veröffentlicht in Zellwirt und Mikrobe untersucht die Rolle von Nahrungsbestandteilen und der Darmmikrobiota Vibrio cholerae Infektion, allgemein als bezeichnet als Cholera.

Das Cholera-Risiko wird durch Wechselwirkungen zwischen Ernährung und Mikrobiota beeinflusst

Cholera ist eine schwere Durchfallerkrankung, von der weltweit über 2,9 Millionen Menschen betroffen sind, von denen jedes Jahr 95.000 an dieser Infektion sterben. Die Virulenz von V. cholerae wird durch die koordinierte Expression mehrerer Virulenzfaktoren inmitten der Zerstörungsversuche von Mikroorganismen im Magen-Darm-Trakt bestimmt, die darauf abzielen, die Kolonisierung von Krankheitserregern zu verhindern.

Die Wirksamkeit dieser Wirtsabwehr gegen eine V. cholerae-Infektion wird durch die Zusammensetzung des Darmmikrobioms bestimmt, die durch die täglichen Ernährungsgewohnheiten beeinflusst wird und sich auf deren Vielfalt und Quantität auswirkt. Beispielsweise führt der Verzehr von Ballaststoffen zur Produktion kurzkettiger Fettsäuren (SCFAs), die Durchfall vorbeugen, indem sie die Natrium- und Wasseraufnahme erleichtern.

Die zentrale Rolle der Ernährung bei der Prävalenz und Schwere der Cholera wird durch ihren starken Zusammenhang mit Unterernährung veranschaulicht, einer häufigen Komorbidität in Cholera-Endemiegebieten. Dennoch bleibt unklar, wie die Ernährung die Genexpression, Fitness und Konkurrenz mit dem Darmmikrobiom von V. cholerae während einer Infektion beeinflusst.

Die makronährstoffspezifischen Auswirkungen auf die Besiedlung mit V. cholerae

Die aktuelle Studie untersuchte, wie Makronährstoffe in der Nahrung des Wirts an der Darmbesiedlung und der Konkurrenz durch V. cholerae beteiligt sind. Zu diesem Zweck wurden spezifische pathogenfreie (SPF) Mäuse mit V. cholerae infiziert, während sie eine kohlenhydrat-, protein- oder fettreiche Diät zu sich nahmen, wobei alle Mineralien und Vitamine zwischen den Gruppen ähnlich waren.

Mäuse, die eine proteinreiche (kaseinbasierte) Diät zu sich nahmen, zeigten eine deutlich geringere Besiedlung mit V. cholerae im Vergleich zu Mäusen, die andere raffinierte Diäten oder Kontrollfutter zu sich nahmen. V. cholerae machte 99,9 % der im Magen-Darm-Trakt dieser Mäuse vorhandenen Bakterien aus, was darauf hindeutet, dass eine verringerte Kolonisierung wahrscheinlich nicht durch verbleibende Darmkommensalen nach einer Antibiotikabehandlung erklärt werden kann.

Kasein, der Hauptproteinbestandteil dieser raffinierten Diät, hat zuvor gezeigt, dass es die Bindung von Choleratoxin (CT) in vitro hemmt. Um diesen möglichen Zusammenhang zu klären, wiederholten die Forscher ihr Experiment mit einer proteinreichen raffinierten Diät mit Sojabohnenprotein oder Weizengluten. Im Vergleich zu Mäusen, die mit Kasein oder Weizengluten gefüttert wurden, war eine hohe Sojaproteinaufnahme mit einer stärkeren Besiedlung mit V. cholerae verbunden.

Insgesamt wurden 202, 1.288 und 678 Gene in fäkalen DNA-Proben von Mäusen, die proteinreiche Sojabohnen-, Weizengluten- und Kasein-Diäten zu sich nahmen, im Vergleich zu Kontrollen unterschiedlich exprimiert. Der Verzehr von Casein- und Weizengluten-Diäten führte im Vergleich zur Sojaprotein-Diät zu einem größeren Grad an Ähnlichkeit in der hoch- oder herunterregulierten Genexpression.

Genauer gesagt reduzierte der Verzehr von mit Kasein oder Weizengluten verfeinerten Diäten die Expression von Genen, die an der oxidativen Phosphorylierung, dem Trizyklischen Säurezyklus (TCA) und dem Kohlenstoffstoffwechsel beteiligt sind, was darauf hindeutet, dass Kasein oder Weizengluten den Stoffwechsel von V. cholerae während einer Infektion beeinflussen können. Eine deutliche Hochregulierung der schwefelbezogenen Signalwege wurde auch mit Kasein und Weizengluten im Vergleich zu Sojabohnenprotein in Verbindung gebracht.

Alle Proteinquellen führten zu proteinreichen Diäten Tendenzen hin zu einer verringerten Expression der CT-Gene ctxAB, Toxin-co-regulierter Pilus (TCP)-Gene und akzessorischer Kolonisierungsfaktoren, obwohl die meisten dieser Veränderungen mit Ausnahme von tcpF keine statistische Signifikanz erreichten. Durch die kaseinreiche Ernährung wurden Gene herunterreguliert, die an Flagellengenen der Klassen II und IV beteiligt sind, die für den Körperhaken, Flagellin und spezifische motorische Komponenten kodieren. Es wurde festgestellt, dass Kasein und Weizengluten die Gene, die für Elemente des Typ-VI-Sekretionssystems (T6SS) kodieren, die an der intrabakteriellen Konkurrenz beteiligt sind, im Vergleich zu Sojaprotein und Kontrolldiät signifikant regulieren.

Die Ernährung des Wirts kann die Genexpression von V. cholerae in Bezug auf Stoffwechsel, Motilität und Virulenzexpression weitgehend beeinflussen.

Anschließend führten die Forscher ein genetisches Screening mithilfe der Sequenzierung der Transposon-Insertionsstelle (TN-seq) durch, um mutierte Stämme von V. cholerae zu identifizieren, die im Vergleich zu Wildtyp-Stämmen den Magen-Darm-Trakt der Maus wirksamer besiedeln konnten. Zu diesem Zweck wurden 3.061 identifiziert, gepoolt und in Mäuse eingeführt, die entweder eine Diät mit hohem Kaseingehalt oder eine Kontrolldiät zu sich nahmen.

Nach der Löschung wurden insgesamt 40 Gene identifiziert, die die Kolonisierung von V. cholerae bei Mäusen unterstützen, die eine caseinreiche Ernährung zu sich nahmen, von denen 16 am Flagellenaufbau beteiligt waren. Ribonukleinsäure-Sequenzierungsdaten (RNA-seq) legen nahe, dass V. cholerae nach einer hohen Kaseinaufnahme nachgeschaltete Flagellenstrukturgene herunterreguliert.

V. cholerae mit einer Mutation im Flagellen-Master-Regulationsgen flrA übertraf den Wildtyp-Stamm bei Mäusen, die eine kaseinreiche Ernährung zu sich nahmen, deutlich, was die Kolonisierungsrate vier Tage nach der Infektion erhöhte. Das Vorhandensein von flrA-Mutationen stellte auch die Genexpression des T6SS-Signalwegs wieder her, die zuvor in Wildtyp-Stämmen nach der Einnahme einer caseinreichen Ernährung unterdrückt wurde. Bemerkenswerterweise wurden die Auswirkungen von flrA-Mutationen auf die Kolonisierungsraten nicht beobachtet, wenn die proteinreiche Sojabohnen-Diät verzehrt wurde.

Weitere Experimente zeigten, dass diese ernährungsbedingten Veränderungen der T6SS-Aktivität die kompetitiven Wechselwirkungen zwischen V. cholerae und Darmkommensalen, einschließlich eines menschlichen Escherichia coli-Isolats, veränderten und dadurch die Struktur der Mikrobiota während der Infektion umgestalteten.

Diese Ergebnisse legen diätetische Interventionen zur Einschränkung von V. cholerae nahe und unterstreichen die Bedeutung der Ernährung bei Wechselwirkungen zwischen Krankheitserregern und Kommensalen.

Quellen: