#METABOLOMICS WORKBENCH jravilap_20230210_083422 DATATRACK_ID:3734 STUDY_ID:ST002473 ANALYSIS_ID:AN004040 VERSION 1 CREATED_ON 01-11-2024 #PROJECT PR:PROJECT_TITLE Linking bacterial metabolites to disease-associated microbes to uncover PR:PROJECT_TITLE mechanisms of host-microbial interactions in intestinal inflammation PR:PROJECT_TYPE Metabolomic profiling of human fecal and plasma samples and bacterial strains PR:PROJECT_SUMMARY Understanding the role of the gut microbiome in inflammatory and autoimmune PR:PROJECT_SUMMARY diseases requires the identification of microbial molecular effectors and their PR:PROJECT_SUMMARY link to host pathophysiology. Here, we present a framework to identify and PR:PROJECT_SUMMARY characterize novel microbial metabolites in patient samples and to directly link PR:PROJECT_SUMMARY their production to disease-associated microbes. We applied this approach to PR:PROJECT_SUMMARY investigate the spectrum of disease severity and treatment response in PR:PROJECT_SUMMARY ulcerative colitis (UC) using longitudinal metabolite and strain profiles PR:PROJECT_SUMMARY combined with paired plasma profiles. PR:INSTITUTE Broad Institute of MIT and Harvard PR:LAST_NAME Xavier PR:FIRST_NAME Ramnik PR:ADDRESS 415 Main Street PR:EMAIL rxavier@broadinstitute.org PR:PHONE 6177147080 PR:PUBLICATIONS Schirmer, M., Stražar, M., Avila-Pacheco, J., Rojas-Tapias, D. F., Brown, E. PR:PUBLICATIONS M., Temple, E., Deik, A., Bullock, K., Jeanfavre, S., Pierce, K., Jin, S., PR:PUBLICATIONS Invernizzi, R., Pust, M.-M., Costliow, Z., Mack, D. R., Griffiths, A. M., PR:PUBLICATIONS Walters, T., Boyle, B. M., Kugathasan, S., … Xavier, R. J. (2024). Linking PR:PUBLICATIONS microbial genes to plasma and stool metabolites uncovers host-microbial PR:PUBLICATIONS interactions underlying ulcerative colitis disease course. Cell Host & Microbe. PR:PUBLICATIONS https://doi.org/10.1016/j.chom.2023.12.013 PR:DOI http://dx.doi.org/10.21228/M8D701 PR:CONTRIBUTORS Melanie Schirmer, Martin Strazar, Julian Avila-Pacheco, Daniel F. Rojas-Tapias, PR:CONTRIBUTORS Eric Brown, Emily Temple, Subra Kugathasan, Zach Costliow, Hera Vlamakis, Jeff PR:CONTRIBUTORS Hyams, Lee Denson, Clary B. Clish, Ramnik J. Xavier #STUDY ST:STUDY_TITLE Linking bacterial metabolites to disease-associated microbes to uncover ST:STUDY_TITLE mechanisms of host-microbial interactions in intestinal inflammation. ST:STUDY_TITLE Veillonella parvula media profiling of IBD drug metabolites ST:STUDY_SUMMARY Understanding the role of the gut microbiome in inflammatory and autoimmune ST:STUDY_SUMMARY diseases requires the identification of microbial molecular effectors and their ST:STUDY_SUMMARY link to host pathophysiology. Here, we present a framework to identify and ST:STUDY_SUMMARY characterize novel microbial metabolites in patient samples and to directly link ST:STUDY_SUMMARY their production to disease-associated microbes. We applied this approach to ST:STUDY_SUMMARY investigate the spectrum of disease severity and treatment response in ST:STUDY_SUMMARY ulcerative colitis (UC) using longitudinal metabolite and strain profiles ST:STUDY_SUMMARY combined with paired plasma profiles. ST:INSTITUTE Broad Institute of MIT and Harvard ST:LAST_NAME Xavier ST:FIRST_NAME Ramnik ST:ADDRESS 415 Main Street ST:EMAIL rxavier@broadinstitute.org ST:PHONE 617717084 ST:SUBMIT_DATE 2023-02-10 #SUBJECT SU:SUBJECT_TYPE Bacteria SU:SUBJECT_SPECIES Veillonella parvula SU:TAXONOMY_ID 29466 #SUBJECT_SAMPLE_FACTORS: SUBJECT(optional)[tab]SAMPLE[tab]FACTORS(NAME:VALUE pairs separated by |)[tab]Additional sample data SUBJECT_SAMPLE_FACTORS - None_6_mercaptopurine_R1 Strain:None | Drug:6-mercaptopurine Replicate=R1; RAW_FILE_NAME=0027_ROJ_Purines_HP-None_6-mercaptopurine-R1.raw; RAW_FILE_NAME=0027_ROJ_Purines_HN_None_6-mercaptopurine-R1.raw SUBJECT_SAMPLE_FACTORS - None_6_mercaptopurine_R2 Strain:None | Drug:6-mercaptopurine Replicate=R2; RAW_FILE_NAME=0039_ROJ_Purines_HP-None_6-mercaptopurine-R2.raw; RAW_FILE_NAME=0039_ROJ_Purines_HN_None_6-mercaptopurine-R2.raw SUBJECT_SAMPLE_FACTORS - None_6_mercaptopurine_R3 Strain:None | Drug:6-mercaptopurine Replicate=R3; RAW_FILE_NAME=0041_ROJ_Purines_HP-None_6-mercaptopurine-R3.raw; 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Strains and growth CO:COLLECTION_SUMMARY conditions: we utilized the following strains of Veillonella for growth and CO:COLLECTION_SUMMARY metabolic analysis; Veillonella parvula SKV38 [DR071], Veillonella parvula SKV38 CO:COLLECTION_SUMMARY xdh::cat* [DR214], Veillonella parvula SKV38 pucD::cat* [DR213]. All strains CO:COLLECTION_SUMMARY were first streaked on an agar plate with SK media (composition: yeast extract CO:COLLECTION_SUMMARY 10 gL-1, casitone 10 gL-1, NaCl 2 gL-1, K2HPO4 0.4 gL-1) supplemented with 50 mM CO:COLLECTION_SUMMARY lactate and 40 mM KNO3 (SKLN medium) and antibiotics if required. From this agar CO:COLLECTION_SUMMARY plate, a single colony was selected and inoculated in 5 mL SKLN media and grown CO:COLLECTION_SUMMARY for 24 hours. Next, overnight cells from this inoculum were grown using a 1/50 CO:COLLECTION_SUMMARY inoculum of the overnight culture, on either SK, SK + 50 mM lactate (SKL), SK + CO:COLLECTION_SUMMARY 40 mM nitrate (SKN), and SKLN. Supernatants were collected at the CO:COLLECTION_SUMMARY mid-exponential phase (OD600~0.4) and collected for metabolomic analyses CO:COLLECTION_SUMMARY (HILIC-pos metabolite profiling method described above). For analysis of the CO:COLLECTION_SUMMARY metabolism of the IBD drugs, cells were prepared as described above, and CO:COLLECTION_SUMMARY mid-exponential phase cells were collected, washed twice with sterile SK, and CO:COLLECTION_SUMMARY resuspended in 100 µl of SK. A volume of 6 ml of SKN was then inoculated using CO:COLLECTION_SUMMARY 90 µl of the bacterial suspension. Those 6 ml were split in three parts: a) 1.5 CO:COLLECTION_SUMMARY ml SK, b) 1.5 ml SK + 20 µM 6-mercaptopurine, and c) 1.5 ml SK + 20 µM CO:COLLECTION_SUMMARY 6-azathioprine. Additionally, sterile SK was prepared in an identical fashion to CO:COLLECTION_SUMMARY serve as a control for the experiment. Cells were incubated in a plate reader (4 CO:COLLECTION_SUMMARY wells/treatment) with low shaking and 37ºC for about ~5 h, and when the OD600 CO:COLLECTION_SUMMARY reached 0.4 cells were collected. For collection, 700 µl of the suspensions CO:COLLECTION_SUMMARY were centrifuged at 21,000 g for 2 min, and 400 µl of the supernatant harvested CO:COLLECTION_SUMMARY and stored at -20 ºC for analysis. Preparation of thiopurine drugs: 20 mM CO:COLLECTION_SUMMARY solutions were prepared using 4.25 mg of 6-mercaptopurine (Sigma 852678) or 6.9 CO:COLLECTION_SUMMARY mg of azathioprine (Sigma A4638) dissolved in 1 ml of DMSO. The drugs were CO:COLLECTION_SUMMARY prepared and used the same day. CO:SAMPLE_TYPE Culture Media #TREATMENT TR:TREATMENT_SUMMARY A volume of 6 ml of SKN was then inoculated using 90 µl of the bacterial TR:TREATMENT_SUMMARY suspension. Those 6 ml were split in three parts: a) 1.5 ml SK, b) 1.5 ml SK + TR:TREATMENT_SUMMARY 20 µM 6-mercaptopurine, and c) 1.5 ml SK + 20 µM 6-azathioprine. Preparation TR:TREATMENT_SUMMARY of thiopurine drugs: 20 mM solutions were prepared using 4.25 mg of TR:TREATMENT_SUMMARY 6-mercaptopurine (Sigma 852678) or 6.9 mg of azathioprine (Sigma A4638) TR:TREATMENT_SUMMARY dissolved in 1 ml of DMSO. The drugs were prepared and used the same day. #SAMPLEPREP SP:SAMPLEPREP_SUMMARY Bacterial supernatant (media) metabolites were profiled using the HILIC-pos and SP:SAMPLEPREP_SUMMARY HILIC-neg methods in order to estimate purines and thiopurines metabolism. Media SP:SAMPLEPREP_SUMMARY samples were prepared as follows: mid-exponential Veillonella cultures (OD600 = SP:SAMPLEPREP_SUMMARY 0.3-0.4) were harvested by centrifugation at 20,000g at 4°C for 1 minute, SP:SAMPLEPREP_SUMMARY supernatants (spent media) were aliquoted and stored at -80°C until metabolite SP:SAMPLEPREP_SUMMARY profiling was conducted. For the HILIC-pos method, media samples (10 µL) were SP:SAMPLEPREP_SUMMARY extracted using 90 µL HILIC extraction solution (74.9:24.9:0.2 v/v/v SP:SAMPLEPREP_SUMMARY acetonitrile/methanol/formic acid) with internal standards (valine-d8, SP:SAMPLEPREP_SUMMARY Sigma-Aldrich; St. Louis, MO; and phenylalanine-d8) and extracts were cleared by SP:SAMPLEPREP_SUMMARY centrifugation (10 min, 9,000 x g, Room Temperature). For media profiled in the SP:SAMPLEPREP_SUMMARY HILIC-neg mode, 30 µL of media and metabolites extracted using 80% methanol SP:SAMPLEPREP_SUMMARY containing inosine-15N4, thymine-d4 and glycocholate-d4 internal standards SP:SAMPLEPREP_SUMMARY (Cambridge Isotope Laboratories; Andover, MA). Extracts were cleared by SP:SAMPLEPREP_SUMMARY centrifugation (10 min, 9,000 x g, 4C) prior to analysis. #CHROMATOGRAPHY CH:INSTRUMENT_NAME Shimadzu Nexera X2 CH:COLUMN_NAME Phenomenex Luna NH2 (150 x 2.1mm,3um) CH:COLUMN_TEMPERATURE 30C CH:FLOW_GRADIENT The column was eluted with initial conditions of 10% mobile phase A and 90% CH:FLOW_GRADIENT mobile phase B followed by a 10 min linear gradient to 100% mobile phase A. CH:FLOW_RATE 400 µL/min CH:SOLVENT_A 100% water; 20 mM ammonium acetate; 20 mM ammonium hydroxide CH:SOLVENT_B 75% acetonitrile/25% methanol; 10 mM ammonium hydroxide CH:CHROMATOGRAPHY_TYPE HILIC #ANALYSIS AN:ANALYSIS_TYPE MS #MS MS:INSTRUMENT_NAME Thermo Q Exactive Plus Orbitrap MS:INSTRUMENT_TYPE Orbitrap MS:MS_TYPE ESI MS:MS_COMMENTS Raw data were processed using TraceFinder 3.3 software (Thermo Fisher MS:MS_COMMENTS Scientific; Waltham, MA) and Progenesis QI (Nonlinear Dynamics; Newcastle upon MS:MS_COMMENTS Tyne, UK). Metabolite identities were confirmed using authentic reference MS:MS_COMMENTS standards or reference samples. MS:ION_MODE NEGATIVE MS:MS_RESULTS_FILE ST002473_AN004040_Results.txt UNITS:Abundance Has m/z:Yes Has RT:Yes RT units:Minutes #MS_METABOLITE_DATA MS_METABOLITE_DATA:UNITS Abundance MS_METABOLITE_DATA_START Samples None_6_mercaptopurine_R1 None_6_mercaptopurine_R2 None_6_mercaptopurine_R3 None_6_mercaptopurine_R4 None_Azathioprine_R1 None_Azathioprine_R2 None_Azathioprine_R3 None_Azathioprine_R4 None_None_R1 None_None_R2 None_None_R3 None_None_R4 pucD_6_mercaptopurine_R1 pucD_6_mercaptopurine_R2 pucD_6_mercaptopurine_R3 pucD_6_mercaptopurine_R4 pucD_Azathioprine_R1 pucD_Azathioprine_R2 pucD_Azathioprine_R3 pucD_Azathioprine_R4 pucD_None_R1 pucD_None_R2 pucD_None_R3 pucD_None_R4 WT_6_mercaptopurine_R1 WT_6_mercaptopurine_R2 WT_6_mercaptopurine_R3 WT_6_mercaptopurine_R4 WT_Azathioprine_R1 WT_Azathioprine_R2 WT_Azathioprine_R3 WT_Azathioprine_R4 WT_None_R1 WT_None_R2 WT_None_R3 WT_None_R4 xdhA_6_mercaptopurine_R1 xdhA_6_mercaptopurine_R2 xdhA_6_mercaptopurine_R3 xdhA_6_mercaptopurine_R4 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