Correlation of genetic and microbial changes in inflammatory bowel disease

Abstract

Inflammatory bowel disease (IBD) is complex, multifactorial, polygenic diseases without a certain cure. Patients require lifelong surveillance, expensive treatments, risky surgeries, have increased cancer and other systemic disease risks. IBD consists of two groups as Ulcerative colitis (UC) and Crohn's disease (CD). Although pathogenesis of IBD is not clear, a dysregulated immune response to environmental factors (intestinal microbiota) develops in genetically susceptible individuals. As early diagnosis is hard, most patients are diagnosed at a later stage, however, they suffer from colon damage and lose the chance of early treatment. This thesis aimed to identify biomarkers that can analyze IBD patient risk profiles to control disease and reveal individuals at risk before the disease progresses further. Firstly, mutations in Turkish IBD patients were investigated in candidate regions of innate immunity (NOD2), adaptive immunity (IL-23R), and autophagy (ATG16L1) genes. Then, microbiota profiles of patients were revealed by NGS and qPCR. Finally, to identify relationship between mutations and microbiota, statistical analyses were performed with non-parametric methods. As a result of this study, Shannon index showed significant reduction of bacterial diversity in IBD patients versus the control group (p-value, 0.048). At the species level, relative abundance of F. prausnitzii decreased while abundance of E. coli increased in IBD patients. Significant relationship (p-value, 0.034) was found between rs11209026 genotype and F. prausnitzii reduction in CD but not in UC. In conclusion, converting significant observations into a molecular test kit can provide a molecular guide that helps gastroenterologists in planning personalized treatments in IBD patients.İnflamatuvar Bağırsak Hastalığı (İBH) günümüzün sık rastlanan, kesin bir tedavisi olmayan, etkilediği kişilerde hayat boyu takibi, pahalı tedavileri ve riskli ameliyatları gerektiren, kanser riski ve diğer sistematik rahatsızlıkları artıran, ciddi iş gücü ve yaşam kalitesi kayıplarına yol açan karmaşık, multifaktöriyel, multigenik bir hastalıktır. İBH temel olarak Ülseratif kolit (ÜK) ve Crohn hastalığı (CH) olarak iki grupta incelenir. Hastalığın patogenezi net olarak bilinmemekle birlikte, genetik olarak yatkın bireylerde, çevresel faktörlere (intestinal mikrobiyota) karşı disregüle immün yanıt oluşmaktadır. Erken tanısında zorluklar yaşandığı için hastalar, hastalığın ilerlemiş safhalarında bir uzman tarafından teşhis bulmakta, zaman kaybından dolayı bağırsak dokusunda zararlar artmakta, erken tedavi şansı kaybolmaktadır. Bu tezde, hastalığı kontrol altına almak ve hastalık daha fazla ilerlemeden risk altındaki bireylerin ortaya çıkarılması için İBH hasta risk profilini analiz edecek biyobelirteçlerin belirlenmesi amaçlanmıştır. İlk olarak doğal immünite (NOD2), adaptif immünite (IL-23R) ve otofaji (ATG16L1) genlerinin aday bölgelerinde Türk IBD hastalarına özgü mutasyonlar araştırıldı. Ardından hastaların mikrobiyota profilleri, amplikon dizileme ve qPCR ile ortaya çıkarıldı. Son olarak, Türk IBD hastalarında, mutasyonlar ve mikrobiyota arasındaki ilişkiyi belirlemek için parametrik olmayan yöntemlerle istatistiksel analizler yapıldı. Çalışma sonucunda, Shannon indeksi, kontrol grubuna kıyasla IBD hastalarında bakteri çeşitliliğinde önemli bir azalma olduğunu göstermiştir (p-değeri, 0.048). IBD hastalarında tür düzeyinde F. prausnitzii bakterisinin göreceli bolluğu azalırken E. coli bakterisinin arttı. UK'in aksine, rs11209026 genotipi ile CH' deki F. prausnitzii azalması arasında anlamlı ilişki (p-değeri, 0.034) bulundu. Sonuç olarak, tüm bu gözlemlerin moleküler bir test kitine dönüştürülmesi, gastroenterologların İBH hastalarında kişiselleştirilmiş tedaviler planlamasına yardımcı olacak bir altyapı sağlayabilir.