Střevní krypty jsou přírodní vrátní mikrobiální metabolity chránit kmenové buňky | Jiotower

Střevní mikroflóry je co-se vyvíjí s jejich savčích hostitelů na více než 15 milionů let ve vzájemné symbióze. Zatímco buněčné a molekulární mechanismy jsou v současné době neznámé, vznikají při příležitosti přizpůsobení se vzájemným požadavkům afascinačním způsobem. Například během třetího trimestru těhotenství, střevní mikroflóry prochází kompletní rekonstrukcí, aby produkovat více fatsby zvýšení Proteobacteria a Actinobacteria na podporu rostoucího dítěte a těhotné matky (1).Kritická povaha střevní mikrobioty je nyní vysoce ceněna při vývoji a udržování imunitních, nervových, vaskulárních i inmetabolických systémů hostitele. Mikrobiota je považována za speciální vyvíjející se orgán u lidí. Několik genetických a vnějších factorssuch jako mutace, zánět, infekce, dieta, antibiotika je známo, že ovlivňují dynamiky mikrobiálních společenství v střevoa hrát klíčovou roli v modulaci jak vrozené a adaptivní imunitní systém. Několik snahy byly provedeny, a jiní jsou currentlyunderway definovat komplexní mikroflóry-hostitelské interakce (dobrý vs. špatný; příčina vs. následek) usinganimal modely. Ještě důležitější je, že je zřejmé, že nadměrné užívání antibiotik v každé fázi lidského života by mohlo významně přispět ke zvýšeným metabolickým poruchám v lidské populaci.

Zatímco mikroby přímo ovlivnit vývoj imunitního systému, mnoho blahodárných/patogenní účinky jsou věřil bemediated mikrobiální metabolity (produkován střevní bakterie z dietních faktorů). Většina mikrobiálních metabolitů jsou malé molekulya jejich cirkulující koncentrace v rozmezí lidí od mikromolárních po milimolární koncentrace. V těchto koncentracích často vykazují závažnou toxicitu nebo antiproliferativní účinky na různé typy buněk. Zajímavé je, že hostitelský systémčasto omezuje nepříznivé aktivity metabolitů navzdory skutečnosti, že byly produkovány v mikromolárních cirkulujících koncentracích. Zkoumání mechanismů přijatých hostitelským střevním systémem k využití těchto metabolitů je tedy velmi zajímavé.

nedávná studie Kaiko et al. (2) řešil tento problém pomocí několika modelů vitro a in vivo. Celková hypotéza této studie je, že krypta structuresprotect kmenových/progenitorových buněk z rozpustné mikroflóry-odvozené signály přítomné ve střevním lumen. Nejprve testovali Anti-proliferativní účinky 96 mikrobiálních metabolitů na rychle se dělící kmenové / progenitorové buňky Lgr5+. Tyto buňky byly připraveny obohacením epiteliálních buněk tlustého střeva izolovaných z myší Cdc25A-click beetle red luciferase reporter. Identifikovali klasikumikrobiální metabolit, butyrát, jako prominentní inhibitor proliferace střevních kmenových / progenitorových buněk. Butyrát je bakteriální škrobfermentovaná dietní mastná kyselina s krátkým řetězcem a je většinou produkována některými grampozitivními anaerobními bakteriemi ve střevě. Koncentrace butyrátu může být dosažena až do milimolární koncentrace ve střevním lumenu, tj. ~5 mM u myší a ~70 mM u lidí. Anti-proliferativní aktivity na kmenových / progenitorových buňkách jsou v rozporu s předchozími zprávami, kde byl butyrát dobře zaveden jako abeneficiální metabolit. Například Furusawa a kol. (3) a Arpaia etal. (4) prokázal, že butyrát podporuje tvorbu protizánětlivých periferních regulačních buněk. A co je nejdůležitější, v těchto studiích se uvádí, že butyrát upregulován na histonu H3 acetylace z FoxP3promoter regionu a stejně jako v intronic enhancer conserved non-coding sequence 1 (CNS1) a CNS2 regionů. V podobném kontextu,Medzhitov skupina prokázala, že butyrát reguluje střevní makrofágů funkce tím, že inhibuje histon deacetylase (HDAC), kterým se butyrát anti-zánětlivé aktivity (5).

Kaiko et al. (2) začínáme s hypotézou, že crypt struktur chránit střevní kmenových/progenitorových z butyrát anti-proliferační aktivitu. Tato skupina měla podezření, že morfologie Krypty se nevyvinula jen takzvyšovat absorpci živin, ale chránit skupinu kmenových/progenitorových buněk před škodlivými metabolity. K prokázání konceptu využili model zebrafish, který postrádá kryptové struktury ve střevě. Důležité je, že zebrafish také neukládá baktérie produkující baktyrát. Expozice butyrátu zebrafish významně potlačila proliferaci epiteliálních buněk uvnitř střevní boule. Tyto studie poskytly důkaz o koncept, který crypt struktur potenciálně se vyvinul, aby se zabránilo anti-proliferativeactivities butyrát (jiné nepříznivé účinky mikrobiální metabolity) ve vyšších organismech. Řešit kritickou ochrannou rolikrypty ve vyšších organismech využily dvě nezávislé metody k odstranění kryptových struktur v myších modelech. Za prvé, oni havetreated myší pomocí dextran sulfátu sodného (DSS), ve které integrity krypty jsou zničeny a za druhé, že fyzicky zraněn theintestinal podšívka s biopsie kleštěmi odstranit 1 mm2 fragmenty sliznice tlustého střeva. V obou modelech pozorovalivýznamné supresivní účinky exogenního butyrátu na proliferaci epiteliálních kmenových / progenitorových buněk v kryptách sousedících se zaoblenými oblastmi. Je zajímavé, že když jsou vyčerpané bakterie odpovědné za butyrát výroby, pozorovali snížil vřed velikosti inDSS léčených myší a mohl zvrátit tento efekt tím, že poskytuje butyrát nebo fekální transplantace obsahující butyrát-produkujících bakterií. Celkově, Kaiko a kol. prokázáno, že crypt struktur zabránit butyrát anti-proliferační aktivity na colonicstem/progenitorových buněk, ty jsou umístěny na spodní části krypty.

další, Kaiko et al. (2) otázku, zda ochrana je založena na difuzi(sahající od povrchu na základnu crypt) nebo butyrát je dále metabolizován epitelové buňky v horní části crypt struktur. Organizováno metabolické kapacity povrchových colonocytes (vysoce diferencované), oni vyvinuli buněk in vitro culturesystem diferencované colonocytes od střevní kmenové buňky. Tyto buňky spotřebuje kolem 30% butyrát, když se pěstuje v přítomnosti ofexternally přidáno butyrát a supernatanty výrazně snížena anti-proliferační aktivita kmenových/progenitorových buněk suggestingcolonocytes skutečně využít butyrát na ochranu kmenových buněk. Dále prokázali, že butyrát, ale ne jiné SCFAs (propionát,acetát) je metabolizován colonocytes (ale ne kmenové buňky) jako substrát pro oxidační fosforylace (OXPHOS) pro jejich energysource. Metabolismus butyrátu kolonocyty byl zkoumán na myších modelech využívajících myši s nedostatkem acyl CoA dehydrogenáz (ACADs). ACADs jsou klíčové enzymy, které přeměňují butyrát na acetyl-CoA a jsou vysoce exprimovány v kolonocytech. ACADs – / – myši vykazovaly sníženou proliferaci kmenových / progenitorových buněk ve srovnání s divokým typem. Exogenní expozice butyrátu se dále snižujeproliferace kmenových / progenitorových buněk. Zajímavé je, že když jsou ACADs – / – myši léčeny DSS, významně sníženébyla pozorována proliferace buněk s expozicí butyrátu nebo bez něj. Celkově tyto studie zdůrazňují, že butyrát oxidationpathway v colonocytes bylo nutné omezit expozici kmenových/progenitorových buněk do lumina butyrát. Tyto výsledky zdůrazňují, jaksoučasně se vyvíjel hostitel a mikrobiota, aby plně naplnili své energetické požadavky a současně chránili kritické buňky. Jako je znázorněn colonocytes vysoce vyjádřil butyrát metabolizujících enzymů ve srovnání s ostatními metabolickými enzymy, které se účastní SCFAutilization, které nevykazují anti-proliferační aktivity na kmenové buňky. Diferencované kolonocyty snižují výhradněmetabolizuje jejich zdroj energie a současně chrání před potlačením kmenových buněk.

V této studii autoři také zkoumali mechanismy odpovědné za butyrát vyvolané anti-proliferační aktivity na colonicstem/progenitorových buněk. Oni zjištěno, že butyrát výrazně utlumila aktivity HDAC zvýšením acetylace v stem/progenitorcells na histonu H3K27 a H3K9 stránky. Inhibitory HDAC (trichostatin A) zvrátily fenotyp, což naznačuje, že anti-proliferativní aktivity butyrátu jsou zprostředkovány prostřednictvím Hdac. Dále jsou zkoumány identifikovat transkripční faktory jsou zodpovědné za itsactions přes genomu-široký chromatin immunoprecipitation sekvenováním (ChIP-seq) a formaldehyd-asistované izolace regulační elementssequencing (FAIRE-seq) butyrát-léčit střevní kmenových/progenitorových buněk. Zaměřili se na transkripční faktory, které regulujíbuněčný cyklus. Jejich analýza zjistila, že butyrát reguluje transkripční faktory Foxo1 a Foxo3 jako vysoce predikované kandidáty. Potvrdili tato pozorování využitím farmakologické a genetické inhibice aktivity Foxo1 a Foxo3, kde uvádějí, že aktivace Foxo3 je rozhodující pro anti-proliferativní aktivitu butyrátu. Stručně řečeno, oni prokázali, že butyrát působí onstem/progenitorových buněk acetylate histony a vyvolává Foxo3-závislé potlačení proliferace jako negativní buňky-cycleregulator (Obrázek 1).

současná studie při vysvětlování některých základních chápání biologických aktivit krypty vyvolává některé zajímavé otázky. Několik studií uvádělo příznivé účinky butyrátu u pacientů s ulcerózní kolitidou prostřednictvím jeho protizánětlivých účinkůčinnosti. Úroveň ochranných účinků však potenciálně závisí na rozsahu poškození krypt. Výsledky poukazují na to, že thepresence butyrát na poškozené střevní krypty oblasti nakonec bude pomalejší proces crypt regenerace snížením dříku cellexpansion přes jeho anti-proliferační aktivity. Potlačením rychle se dělících kmenových buněk během poškození sliznic potenciálněchránit kmenové buňky před nepříznivými účinky přímého kontaktu s genotoxickým luminálním obsahem. Lze předpokládat, že hostitelská mikrobiotavyvinul tyto systémy tak, aby unikly z transformace epiteliálních/kmenových buněk a snížily riziko vzniku rakoviny. Je důležité, abyhostitel chránil kmenové / progenitorové buňky před takovou transformací; proto se zajímavě společně vyvinuly domorodé systémy, kde se obětují (potlačují proliferaci kmenů/progenitorů) pomocí bakteriálních metabolitů. Ačkoli tyto metabolity mohouvykazují negativní účinky na krátkodobé mechanismy hojení ran, v dlouhodobém horizontu mohou zabránit rakovinné transformaci kmenových buněk.

nedávná studie Moeller et al. ukázal, že lidský střevní mikroflóra pocházející z dávných symbiontsthat speciated současně s člověka a Afrických lidoopů testování cospeciation mezi hominidy a střevní mikroflóry. Celkově tyto studie poskytují vodítka, jak butyrát (butyrát-produkujících bakterií) pomohl v jemné ladění střevní systémů podporujících koncept nežfinančníin-vývoj mikroflóry-mammalians podporovat se navzájem existenci.