The differences between luminal microbiota (LM) and mucosal microbiota (MAM) were little known, especially in duodenum. In this study, LM and MAM in colon and duodenum of mice were investigated through 16S rRNA high-throughput sequencing. The lowest bacterial diversity and evenness were observed in duodenal LM (D_LM), followed by duodenal MAM (D_MAM). Meanwhile, the bacterial diversity and evenness were obviously increased in D_MAM than these in D_LM, while no significant difference was observed between colonic MAM (C_MAM) and colonic LM (C_LM). PCoA analysis also showed that bacterial communities of LM and MAM in duodenum were completely separated, while these in colon overlapped partly. The ratio of Firmicutes to Bacteroidetes (F/B) in D_MAM was significantly higher than that in D_LM. Lactobacillus was largely enriched and was the characteristic bacteria in D_LM. The characteristic bacteria in D_MAM were Turicibacter, Parasutterella, Marvinbryantia and Bifidobacterium, while in C_LM they were Ruminiclostridium_6, Ruminiclostridium_9, Ruminococcaceae_UCG_007 and Lachnospiraceae_UCG_010, and in C_MAM they were Lachnospiraceae_NK4A136, Mucispirillum, Alistipes, Ruminiclostridium and Odoribacter. The networks showed that more interactions existed in colonic microbiota (24 nodes and 74 edges) than in duodenal microbiota (17 nodes and 29 edges). The 16S rDNA function prediction results indicated that bigger differences of function exist between LM and MAM in duodenum than these in colon. In conclusion, microbiota from intestinal luminal content and mucosa were different both in colon and in duodenum, and bacteria in colon interacted with each other much more closely than those in duodenum.
The diverse microbial communities that colonize distinct segments of the gastrointestinal tract are intimately related to aspects of physiology and the pathology of human health. However, most recent studies have focused on the rectal or fecal microbiota, and the microbial signature of the duodenum is poorly studied. In this study, we compared the microbiota in duodenal and rectal samples to illustrate the characteristic microbial signatures of the duodenum in healthy adults. Nine healthy volunteers donated biopsies and luminal contents from the duodenum and rectum. To determine the composition and diversity of the microbiota, 454-pyrosequencing of bacterial 16S rRNA was performed and multiple bioinformatics analyses were applied. The α-diversity and phylogenetic diversity of the microbiota in the duodenal samples were higher than those of the rectal samples. There was higher biodiversity among the microbiota isolated from rectal biopsies than feces. Proteobacteria were more highly represented in the duodenum than in the rectum, both in the biopsies and in the luminal contents from the healthy volunteers (38.7% versus 12.5%, 33.2% versus 5.0%, respectively). Acinetobacter and Prevotella were dominant in the duodenum, whereas Bacteroides and Prevotella were dominant in the rectum. Additionally, the percentage of OTUs shared in biopsy groups was far higher than in the luminal group (43.0% versus 26.8%) and a greater number of genera was shared among the biopsies than the luminal contents. Duodenal samples demonstrated greater biological diversity and possessed a unique microbial signature compared with the rectum. The mucosa-associated microbiota was more relatively conserved than luminal samples.
Dietary proteins influence colorectal cancer (CRC) risk, depending on their quantity and quality. Here, using pyrosequencing, we compared the fecal microbiota composition in Balb/c mice fed either a normal protein/carbohydrate diet (ND, 20% casein and 68% carbohydrate) or a high-protein/low-carbohydrate diet (HPLCD, 30% casein and 57% carbohydrate). The results showed that HPLCD feeding for 2 weeks reduced the diversity and altered the composition of the microbiota compared with the ND mice, which included a decrease in the proportion of the family Lachnospiraceae and Ruminococcaceae and increases in the proportions of the genus Bacteroides and Parabacteroides, especially the species EF09600_s and EF604598_s. Similar changes were reported in patients with inflammatory bowel disease, and in mouse models of CRC and colitis, respectively. This suggests that HPLCD may lead to a deleterious luminal environment and may have adverse effects on the intestinal health of individuals consuming such a diet.
The intestine represents the largest and most elaborate immune system organ, in which dynamic and reciprocal interplay among numerous immune and epithelial cells, commensal microbiota, and external antigens contributes to establishing both homeostatic and pathologic conditions. The mechanisms that sustain gut homeostasis are pivotal in maintaining gut health in the harsh environment of the gut lumen. Intestinal epithelial cells are critical players in creating the mucosal platform for interplay between host immune cells and luminal stress inducers. Thus, knowledge of the epithelial interface between immune cells and the luminal environment is a prerequisite for a better understanding of gut homeostasis and pathophysiologies such as inflammation. In this review, we explore the importance of the epithelium in limiting or promoting gut inflammation (e.g., inflammatory bowel disease). We also introduce recent findings on how small RNAs such as microRNAs orchestrate pathophysiologic gene regulation.
Objective: The aim of this study was to examine shifts in the composition of the bacterial population in the intestinal tracts (ITs) of weaning piglets by antibiotic treatment using high-throughput sequencing. Methods: Sixty 28-d-old weaning piglets were randomly divided into two treatment groups. The Control group was treated with a basal diet without antibiotics. The Antibiotic group's basal diet contained colistin sulfate at a concentration of 20 g per ton and bacitracin zinc at a concentration of 40 g per ton. All of the pigs were fed for 28 days. Then, three pigs were killed, and the luminal contents of the jejunum, ileum, cecum, and colon were collected for DNA extraction and high-throughput sequencing. Results: The results showed that the average daily weight gain of the antibiotic group was significantly greater (p<0.05), and the incidence of diarrhea lower (p>0.05), than the control group. A total of 812,607 valid reads were generated. Thirty-eight operational taxonomic units (OTUs) that were found in all of the samples were defined as core OTUs. Twenty-one phyla were identified, and approximately 90% of the classifiable sequences belonged to the phylum Firmicutes. Forty-two classes were identified. Of the 232 genera identified, nine genera were identified as the core gut microbiome because they existed in all of the tracts. The proportion of the nine core bacteria varied at the different tract sites. A heat map was used to understand how the numbers of the abundant genera shifted between the two treatment groups. Conclusion: At different tract sites the relative abundance of gut microbiota was different. Antibiotics could cause shifts in the microorganism composition and affect the composition of gut microbiota in the different tracts of weaning piglets.
The advent of human intestinal organoid systems has revolutionized the way we understand the interactions between the human gut and microorganisms given the host tropism of human microorganisms. The gut microorganisms have regionality (i.e., small versus large intestine) and the expression of various virulence factors in pathogens is influenced by the gut milieu. However, the culture conditions, optimized for human intestinal organoids, often do not fully support the proliferation and functionality of gut microorganisms. In addition, the regional identity of human intestinal organoids has not been considered to study specific microorganisms with regional preference. In this review we provide an overview of current efforts to understand the role of microorganisms in human intestinal organoids. Specifically, we will emphasize the importance of matching the regional preference of microorganisms in the gut and tailoring the appropriate luminal environmental conditions (i.e., oxygen, pH, and biochemical levels) for modeling real interactions between the gut and the microorganisms with human intestinal organoids.
The intestinal environment plays a critical role in maintaining swine health. Many factors such as diet, microbiota, and host intestinal immune response influence the intestinal environment. Intestinal alkaline phosphatase (IAP) is an important apical brush border enzyme that is influenced by these factors. IAP dephosphorylates bacterial lipopolysaccharides (LPS), unmethylated cytosine-guanosine dinucleotides, and flagellin, reducing bacterial toxicity and consequently regulating toll-like receptors (TLRs) activation and inflammation. It also desphosphorylates extracellular nucleotides such as uridine diphosphate and adenosine triphosphate, consequently reducing inflammation, modulating, and preserving the homeostasis of the intestinal microbiota. The apical localization of IAP on the epithelial surface reveals its role on LPS (from luminal bacteria) detoxification. As the expression of IAP is reported to be downregulated in piglets at weaning, LPS from commensal and pathogenic gram-negative bacteria could increase inflammatory processes by TLR-4 activation, increasing diarrhea events during this phase. Although some studies had reported potential IAP roles to promote gut health, investigations about exogenous IAP effects or feed additives modulating IAP expression and activity yet are necessary. However, we discussed in this paper that the critical assessment reported can suggest that exogenous IAP or feed additives that could increase its expression could show beneficial effects to reduce diarrhea events during the post weaning phase. Therefore, the main goals of this review are to discuss IAP's role in intestinal inflammatory processes and present feed additives used as growth promoters that may modulate IAP expression and activity to promote gut health in piglets.
The gastrointestinal exposome represents the integration of all xenobiotic components and host-derived endogenous components affecting the host health, disease progression and ultimately clinical outcomes during the lifespan. The human gut microbiome as a dynamic exposome of commensalism continuously interacts with other exogenous exposome as well as host sentineling components including the immune and neuroendocrine circuit. The composition and diversity of the microbiome are established on the basis of the luminal environment (physical, chemical and biological exposome) and host surveillance at each part of the gastrointestinal lining. Whereas the chemical exposome derived from nutrients and other xenobiotics can influence the dynamics of microbiome community (the stability, diversity, or resilience), the microbiomes reciprocally alter the bioavailability and activities of the chemical exposome in the mucosa. In particular, xenobiotic metabolites by the gut microbial enzymes can be either beneficial or detrimental to the host health although xenobiotics can alter the composition and diversity of the gut microbiome. The integration of the mucosal crosstalk in the exposome determines the fate of microbiome community and host response to the etiologic factors of disease. Therefore, the network between microbiome and other mucosal exposome would provide new insights into the clinical intervention against the mucosal or systemic disorders via regulation of the gut-associated immunological, metabolic, or neuroendocrine system.
Deoxynivalenol (DON) and related trichothecene mycotoxins are extensively distributed in the cereal-based food and feed stuffs worldwide. Recent climate changes and global grain trade increased chance of exposure to more DON and related toxic metabolites in poorly managed production systems. Monitoring the biological and environmental exposures to the toxins are crucial in protecting human and animals from toxicities of the hazardous contaminants in food or feeds. Exposure biomarkers including urine DON itself are prone to shift to less harmful metabolites by intestinal microbiota and liver metabolic enzymes. De-epoxyfication of DON by gut microbes such as Eubacterium strain BBSH 797 and Eubacterium sp. DSM 11798 leads to more fecal secretion of DOM-1. By contrast, most of plant-derived DON-glucoside is also easily catabolized to free DON by gut microbes, which produces more burden to body. Phase 2 hepatic metabolism also contributes to the glucuronidation of DON, which can be useful urine biomarkers. However, chemical modification could be very typical depending on the anthropologic or genetic background, luminal bacteria, and hepatic metabolic enzyme susceptibility to the toxins in the diet. After toxin exposure, effect biomarkers are also important in estimating the linkage and mechanisms of foodborne diseases in human and animal population. Most prominent adverse effects are demonstrated in the DON-induced immunological and behavioral disorders. For instance, acutely elevated interleukin-8 from insulted gut exposed to dietaty DON is a dominant clinical biomarker in human and animals. Moreover, subchronic exposure to the toxins is associated with high levels of serum IgA, a biological mediator of IgA nephritis. In particular, anorexia monitoring using mouse models are recently developed to monitor the biological activities of DON-induced feed refusal. It is also mechanistically linked to alteration of serotoin and peptide YY, which are promising biomarkers of neurological disorders by the toxins. As animal-alternative biomonitoring, huamn enterocyte-based assay has been developed and more realistic gut mimetic models would be useful in monitoring the effect biomarkers in resposne to toxic contaminants in the future investigations.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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