Gut microbiota dysbiosis in diet-induced obesity. A focus on the influence of genetics, circadian rhythms and potential prebiotics

Abstract

L’hoste i la seva microbiota intestinal conviuen en una relació de benefici mutu, on l’alteració d’aquest equilibri s’associa amb estats patològics com l’obesitat. Més enllà de l’impacte dietètic, la disbiosi microbiana té un origen multifactorial. En aquesta tesi, s’ha avaluat extensament la influencia genètica, els ritmes circadiaris i el potencial prebiòtic d’ingredients naturals en l’obesitat des d’una perspectiva metagenòmica. Primerament, es va caracteritzar l’impacte de dietes occidentalitzades i semi-purificades sobre la microbiota intestinal i l’hoste en rates Wistar, identificant la cafeteria com el model dietètic d’inducció d’obesitat i disbiosi microbiana més efectiu. A més, aquesta dieta va alterar el metabolisme dels àcids biliars, la producció de SCFA i el perfil metabolòmic urinari. Contràriament, les dietes semi-purificades van causar una acumulació de greix modesta i canvis menors sobre la microbiota. Seguidament, es va estudiar la influencia dels factors genètics sobre la resposta microbiana a la dieta de cafeteria. Les rates Wistar van desenvolupar una disbiosi més pronunciada que les F344, caracteritzada per un increment del rati Bacteroidetes-Firmicutes, mentre que ambdues soques van desenvolupar obesitat. A més, les femelles F344 van presentar alteracions més severes sobre els paràmetres biomètrics i la microbiota que els mascles. D’altra banda, es va avaluar l’impacte de la cafeteria i les proantocianidines de llavor de raïm sobre els ritmes circadiaris microbians. Mentre que la cafeteria va alterar la ritmicitat del microbioma, causant essencialment una disrupció en l’abundància cíclica de Lactobacillus, les proantocianidines van restaurar els signes de disbiosi microbiana durant el període d’activitat. Finalment, es va investigar la capacitat prebiòtica d’ingredients naturals en un estudi de fermentació in vitro amb microbiota fecal humana. La pell de carbassa va induir la major disminució de pH i un perfil metabolòmic semblant al de la inulina en condicions d’obesitat i normopès, revelant per primer cop el seu potencial efecte prebiòtic.

El huésped y su microbiota intestinal conviven en una relación de beneficio mutuo, mientras que un equilibrio alterado se asocia con estados patológicos como la obesidad. Más allá del impacto dietético, la disbiosis microbiana tiene un origen multifactorial. En esta tesis, se ha evaluado extensamente la influencia genética, los ritmos circadianos y el potencial prebiótico de ingredientes naturales en la obesidad desde una perspectiva metagenómica. Primeramente, se caracterizó el impacto de dietas occidentalizadas y semi-purificadas sobre la microbiota intestinal y el huésped en ratas Wistar, identificando la cafetería como el modelo dietético de inducción de obesidad y disbiosis microbiana más efectivo. Además, esta dieta alteró el metabolismo de los ácidos biliares, la producción de SCFA y el perfil metabolómico urinario. Contrariamente, las dietas semipurificadas causaron cambios modestos sobre la grasa corporal y la microbiota. Seguidamente, se estudió la influencia de los factores genéticos sobre la respuesta microbiana a la dieta de cafetería. Las ratas Wistar desarrollaron una disbiosis más pronunciada que las F344, caracterizada por un ratio Bacteroidetes-Firmicutes incrementado, mientras que ambas cepas desarrollaron obesidad. Además, las hembras F344 presentaron alteraciones más severas sobre los parámetros biométricos y la microbiota que los machos. Por otro lado, se evaluó el impacto de la cafetería y las proantocianidinas de semilla de uva sobre los ritmos circadianos microbianos. Mientras que la cafetería alteró la ritmicidad del microbioma, causando esencialmente una disrupción en la abundancia cíclica de Lactobacillus, las proantocianidinas restauraron los signos de disbiosis microbiana durante el periodo de actividad. Finalmente, se investigó la capacidad prebiótica de ingredientes naturales en un estudio de fermentación in vitro con microbiota fecal humana. La piel de calabaza produjo la mayor disminución de pH y un perfil metabolómico similar al de la inulina en condiciones de obesidad y normopeso, revelando por primera vez su potencial efecto prebiótico.

The host and its gut microbiota co-live in a mutually beneficial relationship, while the disruption of this equilibrium has been related to pathological states like obesity. Remarkably, gut microbial dysbiosis has a multi-factorial origin beyond the strong impact of diet. In this thesis, we deeply evaluated the influence of genetics, circadian rhythms and potential prebiotics in obesity from a metagenomic perspective. Firstly, we characterized the impact of Westernized and semi-purified diets on gut microbiota and host phenotype in Wistar rats, thus identifying cafeteria diet as the most effective dietary model for inducing severe obesity and gut microbiota dysbiosis. Furthermore, the cafeteria diet caused a strong disruption of bile acid metabolism, SCFA production and urinary metabolome. By contrast, semi-purified diets promoted a modest fat accumulation and minor changes on gut microbiome. Then, the influence of strain and gender upon the microbial responses to cafeteria diet was addressed. Wistar rats were more susceptible to cafeteria diet-induced microbial dysbiosis than F344 animals, which was characterized by an increased Bacteroidetes-to-Firmicutes ratio, whereas obesity development similarly occurred in both strains. In addition, F344 females developed more severe alterations on biometric parameters and gut microbiota than males under a cafeteria feeding. We further evaluated the impact of cafeteria diet and grape seed proanthocyanidins on circadian rhythms of gut microbiota. Whereas the cafeteria diet disturbed the naturally occurring microbial rhythmicity, mainly by altering the cyclical abundance of Lactobacillus, grape seed proanthocyanidins, which can be metabolized by intestinal microbes, restored the microbial signatures of dysbiosis during the active period. Finally, we investigated the prebiotic capacity of several natural ingredients in an in vitro fermentation study with human fecal microbiota. Here, pumpkin skin promoted the largest drop in pH and an inulin-like metabolomic profile in normoweight and obese fecal samples, thus revealing for the first time its prebiotic potential.