The impact of colonization with commensal protozoan Tritrichomonas spp. on the gut microbiota and the mucosal immune landscape
Host-associated microbiotas includes diverse microorganisms from different kingdoms of life. Protozoa are prevalent members of the intestinal microbiota in humans and other mammalian species. For instance, Tritrichomonads are common protozoa parasites that have been described in many species. While most attention has been focused on the pathogenic role of specific parasitic protozoa for mucosal disease, little is known about the symbiotic relationships of apathogenic or even commensal Tritrichomonas species with their hosts.
In the present study, two commensal Tritrichomonas species inhibiting the murine gastrointestinal tract were identified in a laboratory mouse colony with a pro-colitogenic microbiota. Prior studies have started to study the immune modulatory role of some Tritrichomonas species, however, little is known about their role in interacting with bacterial microbiota. Since this extracellular protozoan is intimately associated with the mucosa and microbiota, key aspects of the complex interactions between the protozoan and the bacteria have thus remained elusive. Hence, we here investigated the effect of Tritrichomonas colonization on the microbiota composition, especially the interaction with mucus-associated bacteria. Moreover, we characterized their role in immune modulation with a multicolor staining flow cytometry. Finally, we also evaluated how Tritrichomonas colonization might affect the host disease susceptibility to inflammatory bowel disease. Specifically, two protozoan species, Tritrichomonas musculis (T. mu) and one novel uncharacterized species Tritrichomonas spp. (T. spp), were isolated and identified from one of our laboratory mouse lines. T. mu colonization induced a strong type 2 immune response characterized with higher percentage increase of type 2 innate lymphoid cells (ILC2s), T helper 2 (Th2) cells and eosinophils in the small intestine. After colonization of isogeneic mouse lines of SPF1 and SPF2 mice with T. mu, the microbiota composition of these two mouse lines from cecum and colon were heavily affected. Most interestingly, the abundance of mucus-associated bacteria like Mucispirillum schaedleri and Akkermansia muciniphila were modulated by the introduction of T. mu. This phenotype of A. muciniphila down-regulation is reproducible when we colonized SPF1 mice exogenously with A. muciniphila and confirmed it with fluorescence in situ hybridization. Metabolomics results showed T. mu colonization induced a higher level of succinate and significantly reduced the level of simple sugars such as galactose. In addition, when supplemented with galactose and N-acetyl-glucosamine in the minimum media for A. muciniphila, it favored the bacterial reproduction. However, these changes in the bacterial communities and the related metabolites changes were not associated with the alleviation of intestinal inflammation induced by T.mu colonization. In summary, we developed an effective and reproducible animal model that is required to compare the microbiome of Tritrichomonas-free animals before and after protozoa colonization. The results raised the awareness that a host-protozoan interaction shapes the murine intestinal microbial ecosystem and elucidated the mechanisms behind the observed shifts in gut microbiota diversity and composition.
Die wirtsassoziierte Mikrobiota umfasst eine Vielzahl von Mikroorganismen aus verschiedenen Reichen des Lebens. Protozoen sind häufige Mitglieder der intestinalen Mikrobiota bei Menschen und anderen Säugetierarten. Zum Beispiel sind Tritrichomonaden häufige Protozoen-Parasiten, die in vielen Wirten beschrieben wurden. Während die meiste Aufmerksamkeit auf die pathogene Rolle einiger bestimmter parasitärer Protozoen für Schleimhauterkrankungen gerichtet wurde, ist wenig über die symbiotischen Beziehungen von apathogenen oder kommensalen Tritrichomonas-Arten mit ihren Wirten bekannt. Frühere Studien haben die immunmodulatorische Rolle einiger Tritrichomonas-Spezies untersucht. Es ist jedoch wenig über ihre Rolle bei der Interaktion mit der bakteriellen Mikrobiota bekannt. Da dieses extrazelluläre Protozoon eng mit der Schleimhaut und der Mikrobiota assoziiert ist, sind die Schlüsselaspekte der komplexen Interaktionen zwischen dem Protozoon und den Bakterien bisher nicht bekannt. Daher untersuchten wir hier den Effekt der Tritrichomonas-Besiedlung auf die Zusammensetzung der Mikrobiota, insbesondere die Interaktion mit schleimhautassoziierten Bakterien. Darüber hinaus charakterisierten wir ihre Rolle bei der Immunmodulation mithilfe von Multicolor-Färbe-Durchflusszytometrie. Schließlich untersuchten wir auch, wie die Tritrichomonas-Besiedlung die Krankheitsanfälligkeit des Wirts für entzündliche Darmerkrankungen beeinflussen könnte. Konkret wurden zwei Protozoen-Spezies, Tritrichomonas musculis (T. mu) und eine neue, nicht charakterisierte Spezies Tritrichomonas spp. (T. spp), aus einer unserer Labor-Mauslinien isoliert und identifiziert. Die Besiedlung mit T. mu induzierte eine starke Typ-2-Immunantwort, die durch eine prozentuale Zunahme von angeborenen lymphoiden Zellen (ILC2s), T-Helfer-2-Zellen (Th2) und Eosinophilen im Dünndarm gekennzeichnet war. Isogene Mauslinien von SPF1- und SPF2-Mäusen wurden mit T. mu kolonisiert, die Mikrobiota-Zusammensetzung dieser beiden Mäuse aus Zökum und Kolon wurde stark beeinflusst. Interessanterweise wurde die Abundanz von Mukus-assoziierten Bakterien wie Mucispirillum schaedleri und Akkermansia muciniphila durch die Besiedlung mit T. mu moduliert. Dieser Phänotyp der A. muciniphila-Down-Regulation ist reproduzierbar, wenn wir SPF1-Mäuse exogen mit A. muciniphila kolonisiert haben und bestätigte dies mit Fluoreszenz-in-situ-Hybridisierung. Metabolomics-Ergebnisse zeigten, dass die Besiedlung mit T. mu eine höhere Produktion von Succinat verursacht und den Gehalt an Einfachzuckern wie Galactose signifikant reduzierte. Die Zugabe von einfachen Zuckern wie Galaktose und N-Acetyl-Glucosamin in den Mindestmedien für A. muciniphila begünstigt die bakterielle Vermehrung. Diese Veränderungen in den bakteriellen Gemeinschaften und die damit verbundenen Veränderungen der Metaboliten waren jedoch nicht mit der Linderung der durch die T. mu-Besiedlung induzierten Darmentzündung verbunden. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass diese Ergebnisse das Bewusstsein dafür schärften, dass eine Wirt-Protozoen-Interaktion das mikrobielle Ökosystem des Mäusedarms formt und die Mechanismen hinter den beobachteten Verschiebungen in der Diversität und Zusammensetzung der Darmmikrobiota aufklärte.
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