Kolonkrypter er naturlige portvagter af mikrobielle metabolitter for at beskytte stamceller | Jiotower

tarmmikrobiota udvikler sig sammen med deres pattedyrsværter i over 15 millioner år i et gensidigt symbiotisk forhold. Mens decellulære og molekylære mekanismer i øjeblikket er ukendte, stiger de til lejligheden ved at tilpasse sig hinandens krav på en afascinerende måde. For eksempel gennemgår tarmmikrobiota i tredje trimester af graviditeten en komplet makeover for at producere flere fedtstofferved at øge proteobakterier og Actinobakterier for at støtte den voksende baby og gravide mor (1).Den kritiske karakter af tarmmikrobiota er nu meget værdsat i udvikling og vedligeholdelse af værtens immun -, neurale, vaskulære såvel som inmetaboliske systemer. Mikrobiota betragtes som et specielt udviklende organ inden for mennesker. Flere genetiske og eksterne faktorersåsom mutationer, betændelse, infektioner, kost, antibiotika er kendt for at påvirke dynamikken i mikrobielle samfund i tarmenog spiller en kritisk rolle i moduleringen af både medfødte og adaptive immunsystemer. Der er gjort en række bestræbelser, og andre er i øjeblikket i gang med at definere komplekse mikrobiota-værtsinteraktioner (god vs. dårlig, årsag vs. konsekvens) ved hjælp af dyremodeller. Endnu vigtigere er det at blive klart, at overdreven brug af antibiotika på alle stadier af menneskelivet måske har bidraget væsentligt til de øgede metaboliske lidelser i menneskelige befolkninger.

mens mikrober direkte påvirker udviklingen af immunsystemet, antages mange af de gavnlige/patogene virkninger at blive formidlet af mikrobielle metabolitter (produceret af tarmbakterier fra diætfaktorer). De fleste af de mikrobielle metabolitter er små molekylerog de cirkulerende koncentrationer af disse i mennesker spænder fra mikromolære til millimolære koncentrationer. Ved dissekoncentrationer udviser de ofte alvorlig toksicitet eller antiproliferative virkninger på forskellige celletyper. Interessant, værtssystemetbegrænser ofte negative aktiviteter af metabolitter på trods af at de blev produceret i mikromolære cirkulerende koncentrationer. Det er således af stor interesse at undersøge de mekanismer, der er vedtaget af værts tarmsystemet til at udnytte disse metabolitter.

en nylig undersøgelse af Kaiko et al. (2) løst dette problem ved at anvende flerein vitro og in vivo modeller. Den overordnede hypotese af denne undersøgelse er, at krypt strukturerbeskyt stammen/progenitorcellerne fra opløselige mikrobiota-afledte signaler til stede i tarmlumen. Først testede de deantiproliferative virkninger af 96 mikrobielle metabolitter på hurtigt delende Lgr5+ stamceller/stamceller. Disse celler blev forberedt ved at berige kolonepitelceller isoleret fra Cdc25A-klik beetle red luciferase reporter mus. De identificerede den klassiskemikrobielle metabolit, butyrat, som en fremtrædende hæmmer af tarmstamme/progenitorceller proliferation. Butyrat er en bakteriel stivelsefermenteret diæt kortkædet fedtsyre og produceres hovedsageligt af nogle Gram-positive anaerobe bakterier i tarmen. Koncentrationen af butyrat kan nås op til millimolær koncentration i tarmlumen, dvs. ~5 mM i mus og ~70 mM hos mennesker. De antiproliferative aktiviteter på stamceller/stamceller modsiger de tidligere rapporter, hvor butyrat har været veletableret som engavnlig metabolit. For eksempel Furusa et al. (3) og Arpaia etal. (4) demonstreret, at butyrat fremmer den antiinflammatoriske perifere regulatoryT-cellegenerering. Vigtigst af alt rapporterede de i disse undersøgelser, at butyrat opregulerede histon H3-acetyleringen af Rævp3promoterregionen og såvel som ved intronic enhancer konserveret ikke-kodende sekvens 1 (CNS1) og CNS2 regioner. I den tilsvarende sammenhæng viste Medjitovs gruppe,at butyrat regulerer tarmmakrofagfunktionen ved at hæmme histondeacetylase (HDAC), der etablerer butyrat antiinflammatoriske aktiviteter (5).

Kaiko et al. (2) startede med hypotesen om, at kryptstrukturer beskyttertarmstammen/progenitoren fra butyrat anti-proliferativ aktivitet. Denne gruppe mistænkte, at kryptens morfologi udviklede sig ikke merelyto forbedre næringsabsorptionen, men for at beskytte puljen af stamme/stamceller fra skadelige metabolitter. For at bevise konceptet brugte de sebrafisk model,som mangler kryptstrukturerne i tarmene. Det er vigtigt, at sebrafisken heller ikke havnebutyratproducerende bakterier. Eksponering af butyrat for sebrafisk undertrykte signifikant epitelcelleproliferationen inden iintestinal bule. Disse undersøgelser gav bevis for konceptet om, at kryptstrukturer potentielt udviklede sig for at forhindre butyrats anti-proliferative aktiviteter (andre bivirkninger af mikrobielle metabolitter) i højere organismer. For at imødegå den kritiske beskyttende rolle, som krypter i højere organismer har brugt to uafhængige metoder til at eliminere kryptstrukturer i musemodeller. For det første har debehandlede mus med dekstran natriumsulfat (DSS), hvor krypternes integritet ødelægges, og for det andet skadede de fysisk tarmforing med biopsipincet for at fjerne 1 mm2 fragmenter af kolonslimhinden. I begge modeller observerede devæsentlige undertrykkende virkninger af eksogent butyrat på proliferationen af epitelstamme/stamceller i krypter, der støder op tilafgrænsede områder. Interessant nok, da de udtømte de bakterier, der var ansvarlige for butyratproduktion, observerede de nedsat ulcusstørrelse inDSS-behandlede mus og kunne vende denne effekt ved at tilvejebringe butyrat eller fækal transplantation indeholdende butyratproducerende bakterier. Samlet set Kaiko et al. demonstreret, at krypt strukturer forhindre butyrat anti-proliferative aktiviteter på colonicstem / progenitor celler dem bor i bunden af krypterne.

næste, Kaiko et al. (2) spurgt, om beskyttelsen er baseret på diffusion (når fra overfladen til bunden af krypten) eller butyrat metaboliseres yderligere af epitelceller øverst i kryptstrukturer. Atundersøge den metaboliske kapacitet af overfladekolonocytter (stærkt differentieret) udviklede de in vitro cellekultursystem af differentierede kolonocytter fra kolonstamceller. Disse celler forbruges omkring 30% butyrat, når de dyrkes i nærvær afeksternt tilsat butyrat, og supernatanterne reducerede signifikant den antiproliferative aktivitet på stamceller/stamceller, hvilket tyder på, at kolonocytter faktisk bruger butyratet til at beskytte stamceller. Desuden viste de, at butyrat,men ikke andre SCFA ‘ er (propionat, acetat) metaboliseres af colonocytter (men ikke af stamceller) som et substrat for iltning phosphorylering (OKSFOS) for deres energikilde. Metabolismen af butyrat med colonocytter blev undersøgt i musemodeller, der anvendte mus, der var mangelfulde i acyl-CoA-dehydrogenaser(Acad ‘ er). Acad ‘ er er vigtige stoffer, der omdanner butyrat til acetyl-CoA og stærkt udtrykt i kolonocytter. ACADs – / – mus viste nedsat stamme / stamcelleproliferation sammenlignet med vildtype. Eksogen eksponering af butyrat reducerede yderligere stamme/progenitorcelleproliferation. Interessant nok, når ACADs−/− mus behandles med DSS, blev signifikant reduceretstemcelleproliferation med eller uden eksponering af butyrat observeret. Samlet set fremhæver disse undersøgelser, at butyratoknidationsvej i colonocytter var påkrævet for at begrænse eksponering af stamceller/stamceller for luminalbutyrat. Disse resultater fremhæver hvordanintrikat co-udviklet vært og mikrobiota for fuldt ud at udfylde deres energibehov og beskytte kritiske celler på samme tid. Asdemonstrerede colonocytter udtrykte stærkt butyratmetaboliserende stoffer sammenlignet med andre metaboliske stoffer involveret i Scfautilisering, som ikke viser antiproliferative aktiviteter på stamceller. De differentierede kolonocytter reducerer udelukkendemetaboliserer for deres energikilde og samtidig beskytter mod undertrykkelse af stamceller.

i denne undersøgelse undersøgte forfatterne også de mekanismer, der var ansvarlige for butyratinducerede antiproliferative aktiviteter på colonicstem/progenitorceller. De identificerede, at butyrat signifikant hæmmede HDAC-aktiviteter ved at øge acetyleringen i stamceller/stamceller på både histon H3K27 og H3K9 steder. HDAC-hæmmere (trichostatin a) reverserede fænotypen, hvilket tyder på anti-proliferativ aktivitet af butyrat medieres gennem Hdac ‘ er. Yderligere udforskede de for at identificere transkriptionsfaktorerne er ansvarlige for dens handlinger gennem genom-dækkende kromatin immunudfældning sekventering (ChIP-sekv) og formaldehydassisteret isolering af regulatoriske elementersekventering (FAIRE-sekv) af butyratbehandlede kolonstamme/stamceller. De fokuserede på de transkriptionsfaktorer, der regulerercelle-cyklus. Deres analyse identificerede, at butyrat regulerer ræv1 og Ræv3 transkriptionsfaktorer som højt forudsagte kandidater. De bekræftede disse observationer ved at anvende farmakologisk og genetisk hæmning af Ræv1-og Ræve3-aktivitet, hvor de rapporterer, at aktivering af Ræve3 er kritisk for butyrat antiproliferativ aktivitet. Sammenfattende viste de, at butyrat virker påstem/progenitorceller for at acetylere histoner og inducerer en Ræv3-afhængig undertrykkelse af proliferation som den negative celle-cyklusregulator (Figur 1).

den aktuelle undersøgelse, mens man forklarer noget af den grundlæggende forståelse af kryptbiologiske aktiviteter, rejser nogle interessantespørgsmål. Flere undersøgelser rapporterede de gavnlige virkninger af butyrat hos patienter med ulcerøs colitis gennem dets antiinflammatoriskeaktiviteter. Imidlertid afhænger niveauet af beskyttende virkninger potentielt af omfanget af skader på Krypter. Resultaterne peger på, at tilstedeværelsen af butyrat ved det beskadigede kolonkryptområde i sidste ende vil bremse processen med krypteregenerering ved at mindske stamcellepansion gennem dets anti-proliferative aktiviteter. Ved at undertrykke de hurtigt opdelte stamceller under slimhindebeskytte stamcellerne mod negative virkninger af direkte kontakt med genotoksisk luminal indhold. Det kunne postuleres, at vært-mikrobiotadudviklede disse systemer for at flygte fra epitel/stamcelletransformation og reducere risikoen for at udvikle kræft. Det er vigtigt forværten at beskytte stammen / progenitorcellerne fra en sådan transformation; derfor udviklede de spændende oprindelige systemer, hvorde ofrer sig selv (undertrykker stamme/progenitorproliferation) ved hjælp af bakterielle metabolitter. Selvom disse metabolitter kan vise negative virkninger på kortvarige sårhelingsmekanismer, kan de på lang sigt forhindre en kræftformet transformation af stamceller.

faktisk en nylig undersøgelse af Moeller et al. identificeret, at menneskelig tarmmikrobiota stammer fra gamle symbionter, der specieredes samtidigt med mennesker og de afrikanske aber ved at teste cospeciationen mellem hominider og tarmmikrobiota. Samlet set giver disse undersøgelser spor, hvordan butyrat (butyratproducerende bakterier) hjalp med at finjustere tarmsystemer, der understøtter begrebet co-evolution af mikrobiota-pattedyr for at støtte hinanden eksistens.