Integrative analysis of gut microbiome, gene expression, and lipid metabolism in pigs

Abstract

El porc és una espècie important en la producció i la investigació, ja que la carn de porc és una de les més demandades arreu del món i aquesta espècie és clau per a diferents camps d'investigació humana. Per tant, és important aprofundir en el coneixement de les complexes interaccions entre l'expressió gènica en diferents teixits, la microbiota intestinal i la composició d'àcids grassos (AG) en els porcs. Vam realitzar una anàlisi WGCNA i vam identificar mòduls de gens coexpressats en el teixit muscular, revelant correlacions significatives amb els perfils d'AG. Notablement, dos mòduls gènics es van correlacionar positivament amb els AG saturats i monoinsaturats, i negativament amb els AG poliinsaturats i la relació omega-6/omega-3, destacant vies relacionades amb la biosíntesi d'AG insaturats i el metabolisme d'AG. Per contra, altres dos mòduls van mostrar correlacions positives amb els AG poliinsaturats i la relació omega-6/omega-3, i correlacions negatives amb els AG saturats i monoinsaturats, vinculats a vies de degradació d'àcids grassos i fosforilació oxidativa. A més, vam explorar el paper de la microbiota intestinal en el metabolisme de l'hoste, particularment la producció d'àcids grassos de cadena curta (AGCC) a partir de compostos no digeribles, i la seva posterior acumulació als teixits. Es van trobar associacions significatives entre gèneres bacterians i arqueals amb els perfils d'AG en el contingut rectal, el greix dorsal i el múscul. Específicament, l'abundància d'àcid n-butíric es va correlacionar positivament amb el gènere bacterià Prevotella i negativament amb Akkermansia, mentre que l'àcid acètic va mostrar la tendència oposada. A més, Rikenellaceae RC9 gut group es va associar positivament amb l'àcid palmític en el múscul i negativament amb l'àcid esteàric en el greix dorsal i l'àcid oleic en el múscul, suggerint el paper indirecte de la microbiota en la modulació de la composició d'AG. Després, vam estudiar les diferències entre el metagenoma i el metatranscriptoma de porcs amb diferències extremes en el perfil d'AGCC en el seu contingut rectal. A nivell de gènere, Clostridium va ser el més actiu, malgrat ser el tercer en abundància. Els gèneres més abundants van ser Bacteroides i Prevotella, tot i que Treponema va ser el segon gènere més actiu. A més, alguns gèneres com Dorea, Dysgonomonas i Butyricicoccus van ser més actius que abundants. A nivell de fílum, Spirochaetota va mostrar una activitat d'expressió superior a l'esperada en relació amb la seva abundància. L'anàlisi diferencial metatranscriptòmic va revelar que les espècies de Lactobacillus i Pediococcus eren més actives en mostres amb alt contingut d'àcid acètic i baix contingut d'àcid propiónic. A més, es va identificar Akkermansia glycaniphila com a productora d'acetat, mentre que Prevotella copri va ser més activa en mostres amb alt contingut d'àcid butíric, donant suport al seu paper en la producció de butirat a través de la via del butiril-CoA. L'anàlisi funcional va destacar una expressió significativa de proteïnes relacionades amb espores i activitat de bacteriòfags, com antB. Finalment, vam investigar el paper crucial del fetge en el metabolisme d'AG i la seva interacció amb la microbiota intestinal i la funció immunitària. Vam identificar diversos gèneres bacterians, com Agathobaculum, Collinsella, Floccifex, Phascolarctobacterium, SFLA01 i Streptococcus, que potencialment influeixen en l'expressió de gens clau del fetge relacionats amb el metabolisme energètic. Es van identificar gens com ABCD3, CXCL8, CYP8B1, DEFB1, ELOVL2, FADS2, HMGCS2, MZB1 i SCD que són modulats per aquests predictors microbians, suggerint possibles vies per a la modulació de l'expressió gènica basada en la microbiota. En resum, aquest treball proporciona una visió integral de les connexions entre les xarxes gèniques, el microbioma intestinal i el metabolisme de lípids, oferint estratègies potencials per millorar la qualitat de la carn a través d'intervencions genètiques i microbianes.

El cerdo es una especie importante en la producción y la investigación, ya que la carne de cerdo es una de las más demandadas en todo el mundo y esta especie es clave para diferentes campos de investigación humana. Por tanto, es importante profundizar en el conocimiento de las complejas interacciones entre la expresión génica en diferentes tejidos, la microbiota intestinal y la composición de ácidos grasos (AG) en cerdos. Realizamos un análisis WGCNA e identificamos módulos de genes coexpresados en el tejido muscular, revelando correlaciones significativas con los perfiles de AG. Notablemente, dos módulos génicos se correlacionaron positivamente con los AG saturados y monoinsaturados, y negativamente con los AG poliinsaturados y la relación omega-6/omega-3, destacando vías relacionadas con la biosíntesis de AG insaturados y el metabolismo de AG. Por el contrario, otros dos módulos mostraron correlaciones positivas con los AG poliinsaturados y la relación omega-6/omega-3, y correlaciones negativas con los AG saturados y monoinsaturados, vinculados a vías que implican la degradación de ácidos grasos y la fosforilación oxidativa. Además, exploramos el papel de la microbiota intestinal en el metabolismo del huésped, particularmente la producción de ácidos grasos de cadena corta (AGCC) a partir de compuestos no digeribles, y su posterior acumulación en los tejidos. Se encontraron asociaciones significativas entre géneros bacterianos y de arqueas con los perfiles de AG en el contenido rectal, la grasa dorsal y el músculo. Específicamente, la abundancia de ácido n-butírico se correlacionó positivamente con el género bacteriano Prevotella y negativamente con Akkermansia, mientras que el ácido acético mostró la tendencia opuesta. Además, Rikenellaceae RC9 gut group se asoció positivamente con el ácido palmítico en el músculo y negativamente con el ácido esteárico en la grasa dorsal y el ácido oleico en el músculo, sugiriendo el papel indirecto de la microbiota en la modulación de la composición de AG. Luego, estudiamos las diferencias entre el metagenoma y el metatranscriptoma de cerdos con diferencias extremas en el perfil de AGCC en su contenido rectal. A nivel de género, Clostridium fue el más activo, a pesar de ser el tercero en abundancia. Los géneros más abundantes fueron Bacteroides y Prevotella, aunque Treponema fue el segundo género más activo. Además, algunos géneros como Dorea, Dysgonomonas y Butyricicoccus fueron más activos que abundantes. A nivel de filo, Spirochaetota mostró una actividad de expresión superior a la esperada en relación con su abundancia. El análisis diferencial metatranscriptómico reveló que las especies de Lactobacillus y Pediococcus eran más activas en muestras con alto contenido de ácido acético y bajo contenido de ácido propiónico. Además, se identificó Akkermansia glycaniphila como productora de acetato, mientras que Prevotella copri fue más activa en muestras con alto contenido de ácido butírico, apoyando su papel en la producción de butirato a través de la vía del butiril-CoA. El análisis funcional destacó una expresión significativa de proteínas relacionadas con esporas y actividad de bacteriófagos, como antB. Finalmente, investigamos el papel crucial del hígado en el metabolismo de AG y su interacción con la microbiota intestinal y la función inmunológica. Identificamos varios géneros bacterianos, como Agathobaculum, Collinsella, Floccifex, Phascolarctobacterium, SFLA01 y Streptococcus, que potencialmente influyen en la expresión de genes clave del hígado relacionados con el metabolismo energético. Se identificaron genes como ABCD3, CXCL8, CYP8B1, DEFB1, ELOVL2, FADS2, HMGCS2, MZB1 y SCD que son modulados por estos predictores microbianos, sugiriendo posibles vías para la modulación de la expresión génica basada en la microbiota. En resumen, este trabajo proporciona una visión integral de las conexiones entre las redes génicas, el microbioma intestinal y el metabolismo de lípidos, ofreciendo estrategias potenciales para mejorar la calidad de la carne a través de intervenciones genéticas y microbianas.

The pig is an important species in production and research, as pork is one of the most demanded meats worldwide and this species is key for different research fields such as gut health, cardiovascular diseases or xenotransplants. Therefore, it is important to deepen the knowledge of the complex interactions between the gene expression in different tissues, the gut microbiota and the fatty acid (FA) composition in pigs. We performed a Weighted Gene Co-expression Network Analysis (WGCNA) and identified co-expressed gene modules in muscle tissue, revealing significant correlations with FA profiles. Notably, two gene modules were positively correlated with saturated and monounsaturated FAs, and negatively with polyunsaturated FAs and the omega-6/omega-3 ratio, highlighting pathways related to unsaturated FA biosynthesis and FA metabolism. Conversely, two other modules showed positive correlations with polyunsaturated FAs and omega-6/omega-3 ratio, and negative correlations with saturated and monounsaturated FAs, linked to pathways involving fatty acid degradation and oxidative phosphorylation. Further, we explored the gut microbiota's role in host metabolism, particularly the production of short-chain fatty acids (SCFAs) from non-digestible compounds, and their subsequent accumulation in tissues. Significant associations were found between bacterial and archaeal genera with FA profiles in rectal content, backfat, and muscle. Specifically, the abundance of n-butyric acid correlated positively with the bacterial genus Prevotella and negatively with Akkermansia, while acetic acid showed the opposite trend. Additionally, Rikenellaceae RC9 gut group was positively associated with palmitic acid in muscle and negatively with stearic acid in backfat and oleic acid in muscle, suggesting the indirect role of the microbiota in modulating FA composition. Then, we studied the differences between the metagenome and metatranscriptome of pigs with extreme differences in SCFAs content in their rectal content. At genus level, Clostridium was the most active, despite being third in abundance. The most abundant genera were Bacteroides and Prevotella, although Treponema was the second most active genus. In addition, some genera such as Dorea, Dysgonomonas and Butyriciccocus were more active than abundant. At phylum level, Spirochaetota showed higher expression activity than expected relative to its abundance. Differential metatranscriptomic analysis revealed that Lactobacillus and Pediococcus species were more active in samples with high acetic acid and low propionic acid content. Additionally, Akkermansia glycaniphila was identified as an acetate producer, while Prevotella copri was more active in high butyric acid samples, supporting its role in butyrate production via the butyryl-CoA pathway. Functional analysis highlighted significant expression of spore-related proteins and bacteriophage activity, such as antB. Lastly, the liver's crucial role in FA metabolism and its interplay with gut microbiota and immune function was investigated. We identified several bacterial genera, such as Agathobaculum, Collinsella, Floccifex, Phascolarctobacterium, SFLA01 and Streptococcus, which potentially influence the expression of key liver genes related to energy metabolism. Genes such as ABCD3, CXCL8, CYP8B1, DEFB1, ELOVL2, FADS2, HMGCS2, MZB1 and SCD were identified as being modulated by these microbial predictors, suggesting potential avenues for microbiota-based modulation of gene expression. In summary, this work provides comprehensive insights into the connections between gene networks, gut microbiome, and lipid metabolism, offering potential strategies for enhancing meat quality through targeted genetic and microbial interventions.