Las criptas colónicas son guardianes naturales de metabolitos microbianos para proteger las células madre | Jiotower

La microbiota intestinal evoluciona conjuntamente con sus huéspedes mamíferos durante más de 15 millones de años en una relación simbiótica mutua. Mientras que los mecanismos celulares y moleculares son actualmente desconocidos, están a la altura de la ocasión para adaptarse a los requisitos de los demás de una manera fascinante. Por ejemplo, durante el tercer trimestre del embarazo, la microbiota intestinal se somete a un cambio de imagen completo para producir más grasas aumentando las Proteobacterias y las Actinobacterias para apoyar al bebé en crecimiento y a la madre embarazada (1).La naturaleza crítica de la microbiota intestinal ahora es muy apreciada en el desarrollo y mantenimiento de los sistemas inmune, neural, vascular e inmetabólico del huésped. La microbiota se considera un órgano especial en evolución dentro de los seres humanos. Se sabe que varios factores genéticos y externos, como las mutaciones, la inflamación, las infecciones, la dieta y los antibióticos, afectan la dinámica de las comunidades microbianas intestinales y desempeñan un papel fundamental en la modulación de los sistemas inmunitarios innatos y adaptativos. Se han hecho varios esfuerzos y otros están en vías de definir interacciones complejas entre la microbiota y el huésped (buenas vs.malas; causa vs. consecuencia) utilizando modelos animales. Lo que es más importante, está quedando claro que el uso excesivo de antibióticos en cada etapa de la vida humana podría haber contribuido enormemente al aumento de los trastornos metabólicos en las poblaciones humanas.

Mientras que los microbios afectan directamente el desarrollo del sistema inmunitario, se cree que muchos de los efectos beneficiosos/patógenos son remediados por metabolitos microbianos (producidos por bacterias intestinales a partir de factores dietéticos). La mayoría de los metabolitos microbianos son moléculas pequeñas y las concentraciones circulantes de estos en humanos varían de concentraciones micromolares a milimolares. En estas concentraciones, a menudo exhiben toxicidad severa o efectos antiproliferativos en varios tipos de células. Curiosamente, el sistema huésped a menudo reduce las actividades adversas de los metabolitos a pesar de que se produjeron en concentraciones micromolares circulantes. Por lo tanto, investigar los mecanismos adoptados por el sistema intestinal del huésped para utilizar estos metabolitos es de gran interés.

Un estudio reciente de Kaiko et al. (2) abordaron esta cuestión utilizando varios modelos in vivo y vitro. La hipótesis general de este estudio es que la estructura de la cripta protege las células madre/progenitoras a partir de señales derivadas de la microbiota soluble presentes en la luz intestinal. En primer lugar, probaron los efectos anti-proliferativos de 96 metabolitos microbianos en células madre/progenitoras de división rápida Lgr5+. Estas células se prepararon enriqueciendo células epiteliales de colon aisladas de ratones informadores de luciferasa roja del escarabajo Cdc25A-click. Identificaron el metabolito microbial clásico, el butirato, como un inhibidor prominente de la proliferación de células madre/progenitoras intestinales. El butirato es un ácido graso dietético fermentado con almidón bacteriano de cadena corta y es producido principalmente por algunas bacterias anaerobias grampositivas en el intestino. La concentración de butirato se puede alcanzar hasta una concentración milimolar en el lumen intestinal, es decir, ~5 mm en ratones y ~70 mm en humanos. Las actividades anti-proliferativas en células madre/progenitoras contradicen los informes anteriores en los que el butirato ha sido bien establecido como metabolito beneficial. Por ejemplo, Furusawa et al. (3) y Arpaia etal. (4) demostrado que el butirato promueve el regulador periférico antiinflamatorio generación celular. Lo más importante, en estos estudios, informaron que el butirato reguló al alza la acetilación de la histona H3 de la región del promotor FoxP3 y, así como el potenciador intrónico, conservó la secuencia no codificante 1 (CNS1) y las regiones CNS2. En un contexto similar, el grupo de Medzhitov demostró que el butirato regula la función de los macrófagos intestinales inhibiendo la histona desacetilasa (HDAC), estableciendo actividades antiinflamatorias del butirato (5).

Kaiko et al. (2) comenzó con la hipótesis de que las estructuras de las criptas protegen el tallo/progenitor intestinal de la actividad antiproliferativa de butiratos. Este grupo sospechó que la morfología de la cripta evolucionó no merecidamente para mejorar la absorción de nutrientes, sino para proteger el conjunto de células madre/progenitoras de los metabolitos dañinos. Para proporcionar una prueba de concepto,utilizaron el modelo de pez cebra, que carece de las estructuras de cripta en su intestino. Es importante destacar que el pez cebra tampoco alberga bacterias productoras de butirato. La exposición del butirato al pez cebra suprimió significativamente la proliferación de células epiteliales dentro del bulto intestinal. Estos estudios proporcionaron pruebas de concepto de que las estructuras de criptas evolucionaron potencialmente para prevenir las actividades antiproliferativas del butirato (otros efectos adversos de los metabolitos microbianos) en organismos superiores. Para abordar el papel protector crítico de las criptas en organismos superiores, han utilizado dos métodos independientes para eliminar las estructuras de criptas en modelos de ratón. En primer lugar, han tratado ratones con sulfato de sodio dextrano (DSS) en el que se destruye la integridad de las criptas y, en segundo lugar, lesionaron físicamente el revestimiento intestinal con pinzas de biopsia para extraer fragmentos de 1 mm2 de la mucosa del colon. En ambos modelos, observaron efectos supresores significativos del butirato exógeno en la proliferación de células madre/progenitoras epiteliales en criptas adyacentes a áreas rodeadas. Curiosamente, cuando agotaron las bacterias responsables de la producción de butirato, observaron una disminución del tamaño de la úlcera en ratones tratados con inDSS y pudieron revertir este efecto proporcionando butirato o trasplante fecal que contiene bacterias productoras de butirato. En general, Kaiko et al. se demostró que las estructuras de las criptas previenen las actividades antiproliferativas de butirato en las células progenitoras y del tallo colonico que residen en la base de las criptas.

A continuación, Kaiko et al. (2) se preguntó si la protección se basa en la difusión(que llega de la superficie a la base de la cripta) o si el butirato es metabolizado por las células epiteliales en la parte superior de las estructuras de la cripta. Para analizar la capacidad metabólica de los colonocitos de superficie (altamente diferenciados), desarrollaron un sistema de cultivo celular in vitro de colonocitos diferenciados a partir de células madre del colon. Estas células consumieron alrededor del 30% de butirato, cuando se cultivaron en presencia de butirato agregado externamente y los sobrenadantes redujeron significativamente la actividad antiproliferativa en las células madre/progenitoras, sugiriendo que los colonocitos de hecho utilizan el butirato para proteger las células madre. Además, demostraron que el butirato, pero no otros Agcc (propionato,acetato) es metabolizada por los colonocitos (pero no por las células madre) como sustrato para la fosforilación oxidativa (OXPHOS) para su energysource. El metabolismo del butirato por los colonocitos se examinó en modelos de ratones que utilizaban ratones deficientes en acil coa deshidrogenasas(ACADs). Los ACAD son enzimas clave que convierten el butirato en acetil-CoA y se expresan altamente en los colonocitos. Los ratones ACAD – / – mostraron una disminución de la proliferación de células madre/progenitoras en comparación con el tipo salvaje. La exposición exógena de butirato redujo aún más la proliferación de células madre/progenitoras. Curiosamente, cuando los ratones ACAD – / – son tratados con DSS, se observó una reducción significativa de la proliferación de células madre con o sin exposición al butirato. En general, estos estudios ponen de relieve que la vía de oxidación del butirato en los colonocitos era necesaria para limitar la exposición de las células madre/progenitoras al butirato luminal. Estos resultados resaltan cómo el huésped y la microbiota evolucionan estrechamente para satisfacer plenamente sus necesidades de energía y proteger las células críticas al mismo tiempo. Los colonocitos demostrados expresaron altamente las enzimas metabolizadoras de butirato en comparación con otras enzimas metabólicas involucradas en la autilización, que no muestran actividades antiproliferativas en las células madre. Los colonocitos diferenciados reducen el metabolismo exclusivo por su fuente de energía y al mismo tiempo protegen de la supresión de células madre.

En este estudio, los autores también investigaron los mecanismos responsables de las actividades antiproliferativas inducidas por butirato en células madre/progenitoras del colon. Identificaron que el butirato inhibía significativamente las actividades de HDAC al aumentar la acetilación en células madre / progenitoras en los sitios de histona H3K27 y H3K9. Los inhibidores de HDAC (tricostatina A) invirtieron el fenotipo, lo que sugiere que las actividades antiproliferativas del butirato están mediadas por HDACs. Además, exploraron para identificar los factores de transcripción responsables de sus acciones a través de la secuenciación de inmunoprecipitación de cromatina en todo el genoma (ChIP-seq) y el aislamiento asistido por formaldehído de la secuenciación de elementos reguladores (FAIRE-seq) de células madre/progenitoras del colon tratadas con butirato. Se centraron en los factores de transcripción que regulan el ciclo celular. Su análisis identificó que el butirato regula los factores de transcripción de Foxo1 y Foxo3 como candidatos altamente predichos. Confirmaron estas observaciones utilizando la inhibición farmacológica y genética de la actividad de Foxo1 y Foxo3, donde informan que la activación de Foxo3 es crítica para la actividad antiproliferativa de butiratos. En resumen, demostraron que el butirato actúa sobre las células madre/progenitoras para acetilar histonas e induce una supresión de la proliferación dependiente de Foxo3 como el regulador negativo del ciclo celular (Figura 1).

El estudio actual, al explicar algunos de los conocimientos básicos de las actividades biológicas de las criptas, plantea algunas preguntas interesantes. Varios estudios informaron de los efectos beneficiosos del butirato en pacientes con colitis ulcerosa a través de sus actividades antiinflamatorias. Sin embargo, el nivel de los efectos protectores depende potencialmente de la magnitud del daño de las criptas. Los resultados apuntan a que la presencia de butirato en el área dañada de la cripta colónica eventualmente ralentizará el proceso de regeneración de la cripta al disminuir la expansión de las células madre a través de sus actividades antiproliferativas. Al suprimir, las células madre que se dividen rápidamente durante el daño de la mucosa protegen potencialmente a las células madre de los efectos adversos del contacto directo con el contenido luminal genotóxico. Se podría postular que la microbiota del huésped desarrolló estos sistemas para escapar de la transformación epitelial/de células madre y reducir el riesgo de desarrollar cáncer. Es importante que el huésped proteja las células madre / progenitoras de dicha transformación; por lo tanto, curiosamente co-evolucionaron sistemas indígenas donde se sacrificaron (suprimiendo la proliferación de tallo/progenitor) con la ayuda de metabolitos bacterianos. Aunque estos metabolitos pueden mostrar efectos negativos en los mecanismos de cicatrización de heridas a corto plazo, a largo plazo pueden prevenir una transformación cancerosa de las células madre.

De hecho, un estudio reciente de Moeller et al. se identificó que la microbiota intestinal humana descendía de antiguos simbiontes que se especiaban simultáneamente con los humanos y los simios africanos al probar la coespeciación entre los homínidos y la microbiota intestinal. En general, estos estudios proporcionan pistas sobre cómo el butirato (bacterias productoras de butirato) ayudó a ajustar los sistemas intestinales apoyando el concepto de evolución de la microbiota y los mamíferos para apoyarse mutuamente en la existencia.