Combinación de metodologías ómicas y mea-ómicas para estudiar el efecto de la suplementación de selenio y su interacción con la microbiota intestinal
- Autores: Sara Ramírez Acosta
- Directores de la Tesis: Tamara García Barrera (dir. tes.), José Luis Gómez Ariza (dir. tes.), Francisco Juan Navarro Roldán (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Huelva ( España ) en 2022
- Idioma: español
- Número de páginas: 328
- Materias:
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- Tesis en acceso abierto en: Arias Montano
- Resumen
- español
El selenio (Se) es un elemento esencial para la salud humana con importantes funciones para el organismo. Está presente de forma natural en el medio ambiente tanto en formas orgánicas como inorgánicas. En el organismo, se incorpora en forma de selenocisteína (Sec) durante la biosíntesis de la cadena polipeptídica dando lugar a las selenoproteínas. Los efectos biológicos del selenio están en gran parte mediados por las selenoproteínas, ya que se ha reconocido que es un factor clave en el sistema inmune, el metabolismo de hormonas tiroideas y el desarrollo neurológico entre otros. La principal fuente de Se en humanos es la dieta, siendo las nueces de Brasil, pescados y carnes alimentos ricos en este elemento. Una deficiencia de Se puede ocasionar diversas condiciones fisiopatológicas como enfermedades cardíacas, enfermedades neurológicas, cáncer, infertilidad y procesos inflamatorios. Por ello, a veces es necesaria la suplementación de Se de forma directa mediante el consumo de complementos alimenticios. Desde el punto de vista de la reproducción humana, el Se es importante para el desarrollo normal testicular y la espermatogénesis. A nivel neurológico, el Se protege el cerebro del estrés oxidativo a través de las selenoproteínas, que a su vez, poseen numerosas funciones en el sistema nervioso central (CNS) como la producción de neurotransmisores o la señalización neuronal. El Se es un conocido antagonista frente a una gran cantidad de metales pesados tóxicos como el mercurio, el arsénico o el cadmio. Por otro lado, el Se, interacciona con la microbiota intestinal, la cual actúa como barrera en la absorción, interviene en la metabolización de especies de Se e incluso determinados géneros incorporan Se a sus selenoproteínas. La microbiota intestinal constituye el conjunto de microrganismos (bacterias, virus, hongos y arqueas) presentes en el cuerpo humano. La microbiota intestinal está involucrada en funciones inmunológicas, fisiopatológicas y metabólicas del huésped e interactúa con otros órganos y tejidos. Desde hace unos años está cobrando especial interés la interacción intestino-cerebro, en lo que se conoce como el eje microbiota intestinal-cerebro (gut-brain axis), demostrándose que numerosos problemas neurológicos como el Alzheimer o la depresión están relacionados con la alteración en la microbiota intestinal. Simultáneamente, la microbiota intestinal está relacionada con la producción de hormonas sexuales y disfunciones testiculares, teniendo un gran impacto en la reproducción masculina a través del eje microbiota intestinal-hipotálamo- hipofisiario-gonadal. Durante el desarrollo de esta Tesis Doctoral se han llevado a cabo diferentes estrategias analíticas para el estudio de la importancia del Se, enfocado principalmente al papel de las selenoproteínas, frente a metales tóxicos como el cadmio (Cd) y la modulación de la microbiota intestinal a través de los ejes microbiota intestinal-cerebro e hipotálamo-hipofisiario-gonadal. La evaluación del efecto protector del Se frente al Cd se ha realizado mediante un ensayo de exposición en la línea celular de hígado HepG2 por ser uno de los órganos metabólicamente más activos y sobre los que ya se han realizado estudios previos in vivo con ratones Mus musculus. Para ello, las células fueron expuestas durante 24h a diferentes concentraciones de Cd en forma de CdCl2 y de forma conjunta con Se en forma de selenometionina SeMet. Se determinó la viabilidad celular y la concentración de Cd y Se tanto en las células como los medios de cultivo. El contenido de selenoproteínas y selenometabolitos en las células HepG2 se determinó mediante la técnica de column switching y dilución isotópica de especies no específicas. Para conocer el impacto de la suplementación de Se y la microbiota intestinal en el selenoproteoma de los tejidos de cerebro y testículos se ha llevado a cabo un ensayo de exposición a ratones Mus musculus. Los ratones fueron sometidos a un pre-tratamiento con antibióticos para obtener una microbiota deprimida y a un tratamiento posterior con dieta suplementada en Se. La microbiota intestinal ha sido caracterizada mediante un análisis metataxonómico. En ambos tejidos, cerebro y testículos, se ha optimizado un método de extracción de selenoproteínas para su posterior análisis. Los daños testiculares tras la depresión de la microbiota y el efecto de la suplementación de Se se determinaron mediante un análisis histopatológico de los tejidos. Dada la importancia del eje microbiota intestinal-cerebro, se ha completado el estudio de las muestras de cerebro con un análisis metabolómico no dirigido empleando dos plataformas analíticas que han permitido abarcar un amplio rango de metabolitos. Además, se han analizado los niveles de expresión de todo el selenoproteoma de ratón mediante un análisis transcriptómico. Los análisis de correlación entre la abundancia de la microbiota intestinal, selenoproteínas y los metabolitos han mostrado asociaciones con bacterias clave para la reproducción y el neurodesarrollo. El conjunto de técnicas analíticas aplicadas en esta Tesis Doctoral ha aportado nueva información acerca de la respuesta biológica del organismo frente a la suplementación de Se, a través de los cambios en las selenoproteínas en modelos in vitro e in vivo. Asimismo, los estudios de la microbiota han permitido profundizar en los mecanismos de interacción intestino-cerebro e intestino-testículo.
- English
Selenium (Se) is an essential element for human health and crucial for body functions. It is naturally present in the environment in both organic and inorganic forms. In the body, it is incorporated in the form of selenocysteine (Sec) during the biosynthesis of the polypeptide chain, deriving to selenoproteins. The biological effects of selenium are largely mediated by selenoproteins, as it has been recognized to be a key factor for the immune system, thyroid hormone metabolism, and neurological development, among others. The main source of Se in humans is the diet, being Brazil nuts, fish, and meat foods rich in this element. A deficiency of Se can cause various pathophysiological conditions such as heart disease, neurological disease, cancer, infertility, and inflammatory processes. For this reason, sometimes it is necessary a Se supplementation directly through the consumption of food supplements. From the point of view of human reproduction, Se is important for normal testicular development and spermatogenesis. At the neurological level, Se protects the brain from oxidative stress through selenoproteins, which in turn have numerous functions in the central nervous system (CNS) such as the production of neurotransmitters or neuronal signalling. Se is a well-known antagonist against many toxic heavy metals such as mercury, arsenic, or cadmium. On the other hand, Se interact with the gut microbiota, which acts as a barrier to absorption, interferes in the metabolization of Se species, and certain genera incorporate Se into their selenoproteins. . The intestinal microbiota constitutes the set of microorganisms (bacteria, viruses, fungi, and archaea) present in the human body. The intestinal microbiota is involved in immunological, pathophysiological, and metabolic functions of the host and interacts with other organs and tissues. Recently, the interaction between the intestine and the brain, known as the gut-brain axis, has been gaining special interest, demonstrating that numerous neurological problems such as Alzheimer's or depression are related with alteration of the gut microbiota. Simultaneously, the gut microbiota is related to the production of sexual hormones and testicular dysfunctions, having a great impact on male reproduction through the gut microbiota-hypothalamic-pituitary-gonadal axis. During the development of this PhD Thesis, different analytical strategies have been carried out to study the importance of Se, mainly focused on the role of selenoproteins, against toxic metals such as cadmium (Cd) and the modulation of the microbiota through the gut microbiota-brain and hypothalamic-pituitary-gonadal axes. The evaluation of the protective role of Se against Cd has been carried out by an exposure assay in the liver cell line HepG2, as it is one of the most metabolically active organs and on which previous in vivo studies employing Mus musculus mice have already been carried out. To this end, the cells were exposed for 24h to different concentrations of Cd in the form of CdCl2 and in combination with Se in the form of selenomethionine SeMet. Cell viability and the concentration of Cd and Se were determined both in the cells and in the culture media. The content of selenoproteins and selenometabolites in HepG2 cells was analyzed using the column switching technique and isotopic dilution of non-specific species. To determine the impact of Se supplementation and the intestinal microbiota on the selenoproteome of brain and testis tissues, an animal experiment using Mus musculus mice was carried out. Mice were pre-treated with antibiotics to obtain a depressed microbiota and subsequently treated with a Se-supplemented diet. The intestinal microbiota has been characterized by metataxonomic analysis. In both tissues, brain, and testes, a selenoprotein extraction method has been optimized for subsequent analysis. Testicular damage after microbiota depression and the effect of Se supplementation were determined by histopathological analysis of the tissues. Given the importance of the gut-brain axis, the study of brain samples has been completed with an untargeted metabolomic analysis using two analytical platforms covering a wide range of metabolites. In addition, the expression levels of the entire mouse selenoproteome have been analyzed by transcriptomic analysis. Correlation analysis between gut microbiota abundance, selenoproteins, and metabolites have shown associations with essential bacteria for reproduction and neurodevelopment. The analytical techniques applied in this Doctoral Thesis has provided new information about the biological response of the organism to Se supplementation, through changes in selenoproteins both in vitro and in vivo models. Likewise, studies of the microbiota have made it possible to delve into the mechanisms of interaction between the gut-brain and intestine-testis.
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