A glükokortikoidok modulálják a gasztrointesztinális mikrobiomot egy vadmadárban

José C. Noguera

1 Grupo de Ecología Animal, Universidade de Vigo, Torre CACTI, 36310, Vigo, Spanyolország

Manuel Aira

1 Grupo de Ecología Animal, Universidade de Vigo, Torre CACTI, 36310, Vigo, Spanyolország

Marcos Pérez-Losada

2 Számítógépes Biológiai Intézet, Milken Institute Közegészségügyi Iskola, George Washington Egyetem, Ashburn, VA, USA

3 CIBIO-InBIO, Centro de Investigação em Biodiversidade e Recursos Genéticos, Universidade do Porto, Portugália

Jorge Domínguez

1 Grupo de Ecología Animal, Universidade de Vigo, Torre CACTI, 36310, Vigo, Spanyolország

Alberto Velando

1 Grupo de Ecología Animal, Universidade de Vigo, Torre CACTI, 36310, Vigo, Spanyolország

Társított adatok

A DNS-szekvenciák a GenBank SRA adatbázisában SRP113238 csatlakozási szám alatt érhetők el, és a fiziológiai adatokat a Figshare digitális adattárban helyezték el (http://dx.doi.org/doi:10.6084/m9.figshare.5501587).

Absztrakt

Nemrégiben feltételezték, hogy a stressznek való kitettség (pl. Glükokortikoid szekréció útján) diszregulálhatja a baktériumok bélmikrobiómáját, amely az állatok egészségének kulcsfontosságú „szerve”. Nem ismert azonban, hogy a stressz expozíció (pl. Glükokortikoid szekréció révén) befolyásolja-e a természetes populációk bakteriális bélmikrobiomját. Kísérletileg megváltoztattuk a bazális glükokortikoid szintet (kortikoszteron implantátumok) egy vadon élő madárfajnál, a sárgalábú sirálynál, a Larus michahellisnél, hogy értékeljük annak hatását a gyomor-bélrendszer mikrobiotájára. Eredményeink szerint számos mikrobiális taxon alulreprezentált a kortikoszteron-beültetett madarakban. Fontos, hogy az ilyen redukció magában foglalta a potenciálisan patogén madárbaktériumokat (pl. Mycoplasma és Microvirga), valamint néhány kommensális taxont, amelyek hasznosak lehetnek a madarak számára (pl. Firmicutes). Eredményeink egyértelműen igazolják a mikrobiom közösségek és a természetes populációk glükokortikoid szintje közötti szoros kapcsolatot. Továbbá javasolják a stressz jótékony hatását a fertőzés kockázatának csökkentésében, amelyet a jövőbeni vizsgálatok során fel kell tárni.

1. Bemutatkozás

A legtöbb organizmusnak életében többször is meg kell küzdenie a stresszes eseményekkel. Gerinceseknél a stresszoroknak való kitettség kiváltja a hipotalamusz – hipofízis – mellékvese (HPA) tengelyt, egy neuroendokrin utat, amely a stresszhormonok (azaz glükokortikoidok) termeléséért és felszabadulásáért felelős (áttekintve [1]). A HPA tengely aktiválásának eleve adaptív értéke van, és ez a „harcolj vagy menekülj” választ, amely elősegíti a rövid távú túlélést [1,2]. Érdekes módon régóta felismerték, hogy a bél mikrobioma modulálja a stresszválaszokat és különösen a HPA tengelyt (amelyet gyakran „bél – agy tengelynek” neveznek [3,4]). Meglepő módon, bár feltételezzük, hogy a mikrobiom és a HPA tengely közötti kapcsolat kétirányú [3], és néhány korábbi laboratóriumi állatokon végzett vizsgálat ezt alátámasztja (pl. [5,6]), a stresszválaszok befolyásolják-e a bél mikrobiómját a természetes populációkban figyelmen kívül hagyták.

A stresszoroknak való hosszan tartó expozíció befolyásolhatja a fertőző kórokozók iránti érzékenységet [7], ezt madarakkal és emlősökkel végzett egyes tanulmányok is bizonyítják [8,9]. Bár a hosszan tartó stressz-expozíció káros lehet, a HPA-tengely aktiválása szintén fokozhatja az immunvédelmet azáltal, hogy a leukocitákat és makrofágokat átcsoportosítja a sérülékenyebb szövetek és szervek (például a bőr és a gyomor-bél traktus [7,10,11]) felé. A HPA tengely aktiválása tehát rövid távon előnyös lehet, ha például a megnövekedett glükokortikoidok csökkentik a bélben általában előforduló opportunista patogén baktériumok terhelését. Egyes friss tanulmányok szerint a glükokortikoidok csökkenthetik egyes mikrobiális taxonok arányát [12], és javíthatják a gazda rezisztenciáját egyes gombás, vírusos és bakteriális kórokozókkal szemben [13,14].

Itt megvizsgáltuk a stressz hormonok hatását a szabadon élő sárga lábú sirály csibék bélmikrobiomjára a bazális kortikoszteron szint manipulálásával. A kortikoszteron a madarakban jelenlévő fő stresszhormon [15]. A kortikoszteron szintjét a természetes variációs tartományon belül kísérletileg megemeltük a kortikoszteron implantátumok segítségével, és meghatároztuk a gyomor-bélrendszeri baktériumok mikrobiomjára gyakorolt hatásokat. Ezután felmértük, hogy a kortikoszteron-beültetett csibékben jelen lévő megváltozott bél mikrobiota tartalmaz-e potenciális kórokozókat és hasznos baktériumfajokat.

2. Anyag és módszerek

2.1. Tanulmányozási terület és terepi eljárások

A terepi kísérletet 2016. április és június között hajtották végre a sárga lábú sirályok kolóniájában, az északnyugati Spanyolországban, a Sálvora-szigeten. Az ebben a kísérletben használt összes madár egy nagyobb vizsgálat része volt [16]. 64 három tojásos fészket választottunk ki (ennek a fajnak a modális tengelykapcsoló-mérete) ismert fektetési dátummal. A fészkeket azonosították és a tojásokat a tojásrakás során megjelölték. A tengelykapcsoló befejezése után az egész tengelykapcsolót kereszteztük hasonló fektetési dátumú (± 1 napos) fészkek között, megzavarva az esetleges szülő-utód mikrobioma kovariációját. A fészkeket ezután véletlenszerűen a „kontroll” vagy a „kortikoszteron” csoportba sorolták. A keltetéskor a fiókákat azonosítás céljából megjelölték. Az első vagy a második tojásból kikelt csibét véletlenszerűen osztották be a kísérleti kezelésbe, így fészkenként csak egy fiókát használtunk (további részletekért lásd [16]).

Az R csomag phyloseq-t használtuk a szekvenciaadatok importálásához [25]. Az egyes mintákhoz kiszámítottuk a taxonómiai α változatosságot az egy egyedre jutó OTU-k megfigyelt számaként (OTU gazdagság), a becsült taxonómiai gazdagságot (Chao1 gazdagság) és Faith filogenetikai sokféleségét (PD), amelyeket lineáris modellekkel (LM) elemeztünk, beleértve a kezelést is. és a szex mint tényezők.

A DESeq2 csomagot használtuk a differenciális OTU-bőség végrehajtására a csoportok között [26]. Röviden: a differenciális bőség- és gazdagság-elemzések a DESeq2-ben negatív binomiális eloszlást követő általánosított lineáris modellt alkalmaznak, amelyet normalizálási tényezővel méreteznek, amely a minták közötti szekvenálási mélység különbségeit veszi figyelembe. A modellekben a kísérleti kezelést és a nemet vettük figyelembe tényezőként. A differenciális OTU-mennyiségeket a Wald-tesztek segítségével értékeltük, és a hamis felfedezési rátával (p-adj 0,05) korrigált p-értékeket használtuk, és ezért eltávolítottuk a modell túlparaméterezésének elkerülése érdekében. Mivel kortikoszteron-kezelésünk jelentős hatással volt az OTU-mennyiségre (lásd Eredmények), azt is megvizsgáltuk, hogy az OTU-k, amelyek jelentősen különböztek-e a kísérleti csoportok között (a DESeq2 azonosította; lásd Eredmények), tartalmaznak-e potenciálisan patogén fajokat, amelyeket korábban a vadmadarak [27,28].

A teljes számlálási adatokat (732 OTU) szintén varianciastabilizáló transzformációval normalizáltuk, amint azt McMurdie & Holmes [26] ajánlja. A fő komponens elemzést (PCA) normalizált adatokon végeztük. A minták közötti különbségeket a PC1-pontszámokban általános lineáris modellel (lm R-ben) elemeztük, amely a kezelést és a nemet mint faktort tartalmazta. Elvégeztünk egy Bray – Curtis különbség-alapú fő koordináta-elemzést (PCoA) is.