Variazioni genetiche dell’ospite modificano il microbioma orale e intestinale

16 Maggio 2019 / di Silvia Radrezza


  • Stato dell’arte
    La genetica dell’ospite influisce sulla composizione del microbioma non solo in relazione alla presenza di alleli specifici, come dimostra la maggior parte degli studi, ma anche in relazione al numero di copie di geni, un aspetto questo finora molto meno indagato.
  • Cosa aggiunge questa ricerca
    Lo scopo dello studio è stato quello di esaminare se e come la variazione del numero di copie del gene AMY1, codificante per l’amilasi salivare, influenzi il microbioma orale e intestinale umano.
  • Conclusioni
    La variazione del numero di copie di AMY1 è associabile alla composizione e funzionalità della componente batterica dell’ospite.


Le variazioni alleliche non sono le sole a influenzare il microbioma dell’ospite ma anche, e forse soprattutto, il numero di copie dei geni. Un elevato numero di copie del gene codificante per l’amilasi salivare AMY1 è risultato, infatti, associato a un’abbondante espressione di
Porphyromonas, un agente collegato alla periodontite, nella saliva oltre che a un’aumentata presenza di batteri di resistenza alla degradazione dell’amido.  

È quanto indicato da uno studio coordinato da Angela C. Poole del Max Planck Institute for Developmental Biology in Germania, e pubblicato su Cell Host & Microbe.

Il genotipo dell’ospite è stato da poco incluso come uno dei principali fattori che influiscono sul microbioma. Sebbene le ricerche si siano finora concentrate soprattutto su alterazioni genetiche conosciute come “polimorfismo dei singoli nucleotidi” (SNP), anche la duplicazione sembrerebbe avere un ruolo importante. La variazione del numero di copie (gene copy number variation, CNV) è infatti la principale responsabile della diversità inter-individuale. È ragionevole dunque supporre che possa influire anche sulla popolazione batterica.

Per approfondire questo aspetto ancora incerto, i ricercatori si sono concentrati sul microbioma orale e fecale e sul gene AMY1, codificante per l’amilasi salivare, ossia l’enzima responsabile dell’inizio della degradazione dell’amido introdotto con la dieta, processo che continua poi a livello dell’intestino tenue con l’amilasi pancreatica o AMY2, e l’amilasi fecale. Grazie alla disponibilità di un database che correla un migliaio di genotipi individuali con la rispettiva diversità a livello di microbioma fecale, è stato possibile individuare alcuni taxa che differenziano i soggetti con un elevato o un ridotto numero di copie del gene AMY1 (AMY1H e AMY1L).

A ciò è seguito uno studio longitudinale con 25 individui misti (AMY1H n=11; AMYH1M o medio n=5; AMYH1L n=9) e sottoposti a una dieta standardizzata al fine di valutare l’impatto sia della CNV sia della dieta sui microbiomi considerati. Da ultimo, è stata condotta una caratterizzazione funzionale del microbioma fecale e un trapianto su modelli murini germ-free sani.

Data la complessità e l’ampiezza dello studio, di seguito sono riportati solo i principali risultati.

Taxa discriminanti

I soggetti AMY1H e AMY1L sono risultati differenti in funzione dell’abbondanza relativa di 17 OTUs. Tra questi alcuni sono classificati, come Ruminococcus, Faecalibacterium prausnitzii e Bacteroides. Alcuni membri della famiglia Ruminococcaceae, inoltre, hanno mostrato valori più elevati in soggetti per i quali è stata predetta l’appartenenza a AMY1H.

CNV vs l’attività dell’amilasi orale e fecale

I campioni per l’analisi dell’attività dell’amilasi salivare (SAA) e fecale (FAA) sono stati raccolti in 12 momenti differenti (TP, 3 per settimana).

  • Il range complessivo della SAA è di 10.2-527 unità/ml di saliva, e i valori massimi sono stati registrati nel gruppo AMY1H a tutti i TP.
  • La FAA ha mostrato elevata variabilità sia intra- sia inter-individuale e, a differenza della SAA, nessuna correlazione con AMY1-CN (numero di copie del gene AMY1).

Microbiota e AMY1-CN

Dai campioni di saliva si è poi ottenuto il profilo del microbioma orale:

  • la ricchezza batterica (alpha-diversity), al contrario della diversità, è risultata significativamente associata a AMY1-CN e massima per il gruppo AMY1H;
  • gli OTU orali che maggiormente distinguono AMY1H da AMY1L sono Prevotella, Haemophilus, Neisseria e Porphyromonas.

Da quelli fecali, invece, è emerso che:

  • a differenza di quanto osservato a livello orale, l’alpha diversity è nel complesso simile tra i due gruppi. Anche la beta-diversity ha mostrato di non essere correlata alla AMY1-CN;
  • gli OTUs discriminanti sono risultati essere quelli appartenenti a Ruminococcaceae (Ruminococcus e Oscillospira) e Lachnospiraceae (Blautia, Dorea, Roseburia);
  • un arricchimento dei membri di Ruminococcaceae nel gruppo AMY1H ha mostrato correlazione con la riduzione della disponibilità di amidi suscettibili alla degradazione da parte delle amilasi a livello intestinale.

Dieta e microbioma

I ricercatori hanno quindi valutato se la standardizzazione della dieta si traducesse in una convergenza delle caratteristiche del microbioma orale e fecale/intestinale dei due gruppi. Mentre una convergenza è stata vista a livello intestinale, nessuna variazione in tal senso è stata invece registrata nel microbioma orale.

CNV e funzionalità del microbioma

Dal punto di vista funzionale, invece, le famiglie di geni differentemente espresse tra AMY1L e AMY1H in almeno un TP sono 481. Di queste:

  • il 39% è stato assegnato a Bacteroidetes dorei, più abbondante nel gruppo AMY1H;
  • delle nove specie di Bacteroides identificate, solo B. cellulosilyticus ha mostrato maggiore espressione nel gruppo AMY1L;
  • tra i geni più abbondanti nel gruppo AMY1H, a quelli riconducibili a B. dorei si associano quelli derivati da Prevotella copri e Rominoccoccus, taxa responsabili della resistenza alla degradazione dell’amido.

Per valutare direttamente la capacità di degradazione dei carboidrati è stata monitorata l’abbondanza delle 7 classi di enzimi specifici (carbohydrate-active enzymes o CAZ).

Per esempio, nel gruppo AMY1L si è registrata un’elevata presenza di enzimi coinvolti nella scissione di carboidrati complessi, come glicosidi idrolasi, polisaccaridi liasi e carboidrati esterasi.

SCFAs fecali e amilasi salivare

Come verifica dell’apporto metabolico della popolazione batterica sono stati misurati i livelli di acidi grassi a corta catena (SCFAs) fecali. Tali valori sono stati inoltre utilizzati per verificare sia l’attività dell’amilasi salivare (SAA) sia la capacità predittiva di appartenenza a un gruppo rispetto che a un altro (AMY1L vs AMY1H).

  • La concentrazione di SCFAs ha mostrato valori maggiori nel gruppo AMY1H e nei soggetti con alta SAA.
  • La concentrazione totale di SCFAs ha dimostrato di fornire le informazioni più importanti per la discriminazione dei soggetti in base alla SAA seguita dall’espressione di butirrato, valerato, propionato e acetato. Viceversa, SAA ha mostrato di essere il parametro migliore per la previsione del contenuto di SCFAs.

Trapianto fecale e CNV

Da ultimo, i ricercatori hanno condotto un trapianto fecale da donatori di entrambi i gruppi in 96 modelli murini germ-free per valutare la differente funzionalità metabolica.

  • I modelli riceventi trapianto da donatori AMY1H hanno accumulato più adipe rispetto alla controparte.
  • Nessuna differenza è stata osservata né per il consumo di cibo, né per l’infiammazione intestinale.

Riassumendo:

  • un elevato numero di copie del gene AMY1 è associato a elevati livelli salivari di Porphyromonas oltre che di ceppi di resistenza per la degradazione dell’amido;
  • la concentrazione fecale di SCFAs è predittiva dell’attività dell’amilasi salivare;
  • il profilo AMY1H è associato a un aumento di adiposità in modelli murini.

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