Development of Liquid Array Diagnostic (LAD) technology for prediction of human gut microbiota composition and functionality

Abstract

The microbial species residing in the human gut exercise vital functions for the host. They produce different metabolites that are crucial for human wellbeing. A variety of such molecules mediate signalling along the gut-brain axis, regulate host gene expression, develop and maintain intestinal and blood-brain barriers, are involved in lipogenesis and gluconeogenesis, in addition to taking part in a wide range of other functions. A deviation in the intestinal flora composition is mechanistically linked to various health disorders, including inflammatory bowel disease (IBD), irritable bowel syndrome (IBS), type 2 diabetes, Parkinson’s and Alzheimer’s disease. Such a deviation, known as dysbiosis, represents an unbalanced composition where certain microbial groups are promoted in the expense of others. These species are considered as promising biomarkers, valuable for disease diagnosis, monitoring and treatment. Of particular interest are those markers that can additionally unveil phenotypical characteristics, such as the overall level of short-chain fatty acids (SCFA) in human gut samples. The prospect of discovering additional markers is high, considering that the content of healthy human guts worldwide is not fully characterized. The field of gut microbiota is at a stage of switching focus to clinically relevant species, particularly to their rapid detection, as a means of offering simple diagnostic solutions with increased availability and accessibility. This affords putting biological findings to practical clinical use, which is often not feasible with current species identification platforms. With the intention of filling this need, the main aim of this thesis was to develop a targeted approach for rapid gut microbiota testing based on the novel Liquid Array Diagnostics (LAD) technology. LAD is adopted to target 16S rRNA gene sites unique for specific microbial groups. Requiring only commonplace qPCR instrumentation, it can detect up to 30 distinct microbial markers in a single-tube multiplex reaction within a working day. LAD’s utility in microbiome studies was validated by testing the prevalence and abundance of 15 microbial markers in 541 samples collected from mothers and their children, as reported in Paper I. Paper II, on the other hand, describes a comprehensive human gut prokaryotic genome collection, HumGut. It was built after screening thousands of human gut metagenome samples, collected from healthy people worldwide, for the presence of any high quality publicly available prokaryote genome. The main rationale for creating it was to enable functional studies through LAD-based 16S targeting. It was demonstrated that HumGut, as a reference database, aids whole genome sequencing studies by significantly increasing the number of mapped sequencing reads, thus elevating the potential for an improved taxonomic classification. However, as it is, HumGut exhibits limited practical use for 16S rRNA gene targeted approaches like LAD. This because most of the representative genomes either lack this gene, or the quality of 16S sequences is compromised (addressed in Paper III). Nonetheless, LAD was exploited to infer a segment of human gut microbiota functionality by targeting the 16S rRNA gene. This was performed based on data retrieved from 16S rDNA sequencing and short-chain fatty acid (SCFA) measurements. LAD’s value in classifying samples with disturbed SCFA ratios (namely high propionate-to-butyrate ratio) - an indication of functional dysbiosis - is presented in Paper IV. Taken together, this thesis introduces two tools, LAD and HumGut, both pointing at the direction of simplified human gut functional analysis via gut microbial composition detection.

De mikrobielle artene som bor i menneskets tarm utøver vitale funksjoner for verten. De produserer forskjellige metabolitter avgjørende for menneskers helse. En rekke av disse molekylene deltar i prosesser som signaltransduksjon langs tarm-hjerne-aksen, regulering av genekspresjon, utvikling og vedlikehold av tarm- og blod-hjerne-barrieren, lipogenese og glukoneogenese, samt en rekke andre funksjoner. Avvik i tarmflorasammensetningen kan knyttes til mange ulike sykdommer og lidelser, inkludert irritabel tarm (IBS), innflammatorisk tarmsykdom (IBD), type -2 diabetes, Parkinsons og Alzheimers sykdom. Slike avvik, kjent som dysbiose, kjennetegnes av at visse mikrobielle grupper fremmes på bekostning av andre. Disse artene har potensiale som biomarkører, og kan slik være verdifulle for sykdomsdiagnose og behandling. Spesielt lovende er biomarkører i tarm som kan knyttes opp mot phenotypiske trekk, slik som kortkjedede fettsyrer (SCFA). Det antas at enda flere slike arter vil identifiseres i fremtiden, da mikrobiota-komposisjonen i sunne tarmer ikke er fullt karakterisert globalt. Mikrobiota-feltet er nå på et stadium hvor fokuset endres fra eksplorative studier til identifisering av klinisk relevante arter. Det vil da bli spesielt viktig med metoder som muliggjør rask deteksjon, da dette vil innebære enkle diagnostiske løsninger tilgjengelig for praktisk klinisk bruk, noe som ofte ikke er gjennomførbart med dagens artsidentifikasjonsplattformer. Hovedmålet med denne oppgaven var å utvikle en målrettet tilnærming for rask tarmmikrobiotatesting basert på det nye Liquid Array Diagnostics (LAD)-prinsippet. LAD er utviklet for å identifisere sekvenser i 16S rRNA-genet som er unike for spesifikke mikrobielle markører. Metoden krever kun et vanlig qPCR-instrument og kan oppdage inntil 30 forskjellige mikrobielle markører i étt enkelt test-rør i løpet av en arbeidsdag. LADs nytteverdi i mikrobiomstudier ble validert ved å teste forekomsten av 15 mikrobielle markører i 541 prøver samlet fra mødre og deres barn, som rapportert i Artikel I. Artikel II beskriver genereringen av en omfattende prokaryot genomsamling av menneskets tarm. Den ble bygget ved å screene tusenvis av metagenom fra tarmprøver samlet inn fra friske mennesker over hele verden. Metagenomene ble screenet for tilstedeværelse av alle offentlig tilgjengelige prokaryote genom. Sekvenser av dårlig kvalitet ble fjernet mens alle andre sekvenser ble samlet i én stor referansedatabase, HumGut. Hovedmålet med å lage denne referansedatabasen var å muliggjøre LAD-baserte funksjonelle studier. Det ble vist at HumGut fungerer som et nyttig verktøy for full-genoms sekvenseringsstudier ved å øke antallet artlagte sekvenseringsavlesninger betydelig, da dette gir forbedret taksonomisk klassifisering. HumGut har imidlertid begrenset nytteverdi for 16S rRNA-baserte metoder som LAD. Dette fordi de fleste genom i samlingen enten mangler dette genet fullstendig, eller har for dårlig kvalitet på 16S-sekvensene (behandlet i Artikel III). Til tross for begrensningene knyttet til 16S rRNA-genet i HumGut, ble LAD benyttet til å utvikle en 16S rDNA-basert test for måling av menneskelig tarmmikrobiotafunksjonalitet. Dette ble utført basert på data hentet fra 16S-sekvensering og målinger av kortkjedede fettsyrer (SCFA). LADs evne til å klassifisere prøver med forstyrret SCFA-forhold (nemlig høyt propionat-tilbutyrat-forhold) - en indikasjon på funksjonell dysbiose - er presentert i Artikel IV. Til sammen presenterer denne oppgaven to verktøy, LAD og HumGut, som begge peker i retning av forenklet funksjonell analyse av menneskelig tarm via deteksjon av mikrobiell sammensetning i tarmen.