Les cryptes coliques sont des gardiens naturels des métabolites microbiens pour protéger les cellules souches | Jiotower

Le microbiote intestinal co-évolue avec leurs hôtes mammifères depuis plus de 15 millions d’années dans une relation symbiotique mutuelle. Alors que les mécanismes cellulaires et moléculaires sont actuellement inconnus, ils sont à la hauteur de l’occasion en s’adaptant aux exigences des uns et des autres de manière afascinante. Par exemple, au cours du troisième trimestre de la grossesse, le microbiote intestinal subit une cure de jouvence complète pour produire plus de graisses en augmentant les protéobactéries et les actinobactéries pour soutenir le bébé en croissance et la mère enceinte (1).La nature critique du microbiote intestinal est maintenant très appréciée dans le développement et le maintien des systèmes immunitaires, neuronaux, vasculaires et inmétaboliques de l’hôte. Le microbiote est considéré comme un organe évolutif spécial chez l’homme. Plusieurs facteurs génétiques et externes tels que les mutations, l’inflammation, les infections, l’alimentation, les antibiotiques sont connus pour affecter la dynamique des communautés microbiennes dans l’intestinet jouent un rôle essentiel dans la modulation des systèmes immunitaires innés et adaptatifs. Plusieurs efforts ont été faits et d’autres sont actuellement en cours pour définir des interactions complexes microbiote-hôte (bonnes vs mauvaises; cause vs conséquence) à l’aide de modèles animaux. Plus important encore, il devient clair que l’utilisation excessive d’antibiotiques à tous les stades de la vie humaine pourrait avoir considérablement contribué à l’augmentation des troubles métaboliques dans les populations humaines.

Bien que les microbes affectent directement le développement du système immunitaire, de nombreux effets bénéfiques / pathogènes seraient causés par des métabolites microbiens (produits par des bactéries intestinales à partir de facteurs alimentaires). La plupart des métabolites microbiens sont de petites molécules et leurs concentrations en circulation chez l’homme vont des concentrations micromolaires aux concentrations millimolaires. Lors de ces concentrations, ils présentent souvent une toxicité sévère ou des effets anti-prolifératifs sur divers types de cellules. Fait intéressant, le système hôte réduit souvent les activités indésirables des métabolites malgré le fait qu’ils ont été produits à des concentrations circulantes micromolaires. Ainsi, l’étude des mécanismes adoptés par le système intestinal de l’hôte pour utiliser ces métabolites est d’un grand intérêt.

Une étude récente de Kaiko et al. (2) a abordé ce problème en utilisant plusieurs modèles in vivo et in vitro. L’hypothèse globale de cette étude est que les structures de la crypte protègent les cellules souches / progénitrices des signaux dérivés du microbiote solubles présents dans la lumière intestinale. Tout d’abord, ils ont testé les effets anti-prolifératifs de 96 métabolites microbiens sur les cellules souches /progénitrices Lgr5+ à division rapide. Ces cellules ont été préparées en enrichissant des cellules épithéliales du côlon isolées de souris rapporteuses de la luciférase rouge du coléoptère à cliquet Cdc25A. Ils ont identifié le métabolite antimicrobien classique, le butyrate, comme un inhibiteur important de la prolifération des cellules souches / progénitrices intestinales. Le butyrate est un acide gras alimentaire à chaîne courte fermenté par l’amidon et est principalement produit par certaines bactéries anaérobies à Gram positif dans l’intestin. La concentration de butyrate peut être atteinte jusqu’à une concentration millimolaire dans la lumière intestinale, c’est-à-dire ~ 5 mM chez la souris et ~ 70 mM chez l’homme. Les activités anti-prolifératives sur les cellules souches /progénitrices contredisent les rapports précédents où le butyrate a été bien établi comme métabolite bénéfique. Par exemple, Furusawa et al. (3) et Arpaia et al. (4) a démontré que le butyrate favorise la génération de cellules régulatrices périphériques anti-inflammatoires. Plus important encore, dans ces études, ils ont rapporté que le butyrate régulait à la hausse l’acétylation de l’histone H3 de la région FoxP3promoter et ainsi que des régions de séquence non codante 1 (CNS1) et CNS2 conservées par un activateur intronique. Dans le même contexte, le groupe de Medzhitov a démontré que le butyrate régule la fonction des macrophages intestinaux en inhibant l’histone désacétylase (HDAC) établissant des activités anti-inflammatoires du butyrate (5).

Kaiko et al. (2) a commencé avec l’hypothèse que les structures de crypte protègent la tige / progéniteur intestinal de l’activité anti-proliférative du butyrate. Ce groupe soupçonnait que la morphologie de la crypte n’a pas vraiment évolué pour améliorer l’absorption des nutriments, mais pour protéger le pool de cellules souches / progénitrices contre les métabolites nocifs. Pour fournir une preuve de concept, ils ont utilisé le modèle de poisson zèbre, qui n’a pas les structures de crypte dans son intestin. Fait important, le poisson zèbre n’abrite pas non plus les bactéries productrices de butyrate. L’exposition du butyrate au poisson zèbre a significativement supprimé la prolifération des cellules épithéliales dans le renflement intestinal. Ces études ont fourni une preuve de concept selon laquelle les structures des cryptes ont potentiellement évolué pour prévenir les activités anti-prolifératives du butyrate (autres effets indésirables des métabolites microbiens) dans les organismes supérieurs. Pour aborder le rôle protecteur critique des cryptes dans les organismes supérieurs, ils ont utilisé deux méthodes indépendantes pour éliminer les structures de cryptes dans les modèles murins. Premièrement, ils ont traité des souris avec du sulfate de sodium de dextrane (DSS) dans lequel l’intégrité des cryptes est détruite et deuxièmement, ils ont blessé physiquement la muqueuse intestinale avec une pince à biopsie pour enlever des fragments de 1 mm2 de la muqueuse colique. Dans les deux modèles, ils ont observé des effets suppressifs importants du butyrate exogène sur la prolifération des cellules souches/progénitrices épithéliales dans les cryptes adjacentes aux zones entourées. Fait intéressant, lorsqu’ils ont épuisé les bactéries responsables de la production de butyrate, ils ont observé une diminution de la taille des ulcères chez les souris traitées par inDSS et pourraient inverser cet effet en fournissant du butyrate ou une greffe fécale contenant des bactéries productrices de butyrate. Dans l’ensemble, Kaiko et coll. démontré que les structures des cryptes empêchent les activités anti-prolifératives du butyrate sur les cellules coloniales / progénitrices qui résident à la base des cryptes.

Ensuite, Kaiko et al. (2) a demandé si la protection est basée sur la diffusion (allant de la surface à la base de la crypte) ou si le butyrate est en outre métabolisé par les cellules épithéliales au sommet des structures de la crypte. Pour évaluer la capacité métabolique des colonocytes de surface (hautement différenciés), ils ont développé un système de culture cellulaire in vitro de colonocytes différenciés à partir de cellules souches du côlon. Ces cellules consommaient environ 30% de butyrate, lorsqu’elles étaient cultivées en présence de butyrate ajouté extérieurement et les surnageants réduisaient significativement l’activité anti-proliférative sur les cellules souches / progénitrices suggérant que les colonocytes utilisent bien le butyrate pour protéger les cellules souches. De plus, ils ont démontré que le butyrate, mais pas les autres AGCS (propionate, acétate) est métabolisé par les colonocytes (mais pas par les cellules souches) en tant que substrat de phosphorylation oxydative (OXPHOS) pour leur source d’énergie. Le métabolisme du butyrate par les colonocytes a été examiné dans des modèles murins utilisant des souris déficientes en acyl COA déshydrogénases (ACADs). Les ACAD sont des enzymes clés qui convertissent le butyrate en acétyl-CoA et sont fortement exprimées dans les colonocytes. Les souris ACADs-/- présentaient une prolifération réduite de cellules souches / progénitrices par rapport au type sauvage. L’exposition exogène au butyrate a réduit en outre la prolifération des cellules souches / progénitrices. Il est intéressant de noter que lorsque des souris ACADs-/-sont traitées avec du DSS, une prolifération de cellules souches significativement réduite avec ou sans exposition au butyrate a été observée. Dans l’ensemble, ces études mettent en évidence que la voie d’oxydation du butyrate dans les colonocytes était nécessaire pour limiter l’exposition des cellules souches / progénitrices au butyrate luminal. Ces résultats mettent en évidence la façon dont l’hôte et le microbiote ont coévolué intriquement pour remplir pleinement leurs besoins énergétiques et protéger les cellules critiques en même temps. Les colonocytes asdémontrés ont fortement exprimé les enzymes métabolisatrices du butyrate par rapport aux autres enzymes métaboliques impliquées dans la SCFAutilisation, qui ne montrent pas d’activités anti-prolifératives sur les cellules souches. Les colonocytes différenciés réduisent exclusivementmétabolise pour leur source d’énergie et protège en même temps de la suppression des cellules souches.

Dans cette étude, les auteurs ont également étudié les mécanismes responsables des activités anti-prolifératives induites par le butyrate sur les cellules coloniales / progénitrices. Ils ont identifié que le butyrate inhibait de manière significative les activités HDAC en augmentant l’acétylation dans les cellules souches / progénitrices aux sites histone H3K27 et H3K9. Les inhibiteurs de l’HDAC (trichostatine A) ont inversé le phénotype suggérant que les activités anti-prolifératives du butyrate sont médiées par les HDAC. En outre, ils ont exploré pour identifier les facteurs de transcription responsables de ses actions par séquençage de l’immunoprécipitation de la chromatine à l’échelle du génome (ChIP-seq) et l’isolement assisté par le formaldéhyde des éléments régulant le séquençage (FAIRE-seq) des cellules souches / progénitrices du côlon traitées au butyrate. Ils se sont concentrés sur les facteurs de transcription qui régulent le cycle cellulaire. Leur analyse a révélé que le butyrate régule les facteurs de transcription Foxo1 et Foxo3 en tant que candidats hautement prédits. Ils ont confirmé ces observations en utilisant l’inhibition pharmacologique et génétique de l’activité Foxo1 et Foxo3, où ils rapportent que l’activité de Foxo3 est essentielle à l’activité anti-proliférative du butyrate. En résumé, ils ont démontré que le butyrate agit sur les cellules souches /progénitrices pour acétyler les histones et induit une suppression de la prolifération Foxo3-dépendante en tant que régulateur négatif du cycle cellulaire (Figure 1).

La présente étude, tout en expliquant certaines des connaissances de base sur les activités biologiques des cryptes, soulève des questions intéressantes. Plusieurs études ont rapporté les effets bénéfiques du butyrate chez les patients atteints de colite ulcéreuse grâce à ses activités anti-inflammatoires. Cependant, le niveau d’effets protecteurs dépend potentiellement de l’étendue des dommages causés aux cryptes. Les résultats indiquent que la présence de butyrate dans la zone de la crypte colique endommagée ralentira éventuellement le processus de régénération de la crypte en diminuant la cellexpansion de la tige grâce à ses activités anti-prolifératives. En supprimant, les cellules souches se divisant rapidement lors de lésions de la muqueuse protègent potentiellement les cellules souches des effets indésirables du contact direct avec le contenu luminal génotoxique. On pourrait supposer que le microbiote-hôte a développé ces systèmes pour échapper à la transformation des cellules épithéliales / souches et réduire le risque de développer un cancer. Il est important pourl’hôte de protéger les cellules souches / progénitrices d’une telle transformation; par conséquent, ils ont curieusement co-évolué des systèmes indigènes où ils se sacrifient (supprimant la prolifération des souches / progéniteurs) à l’aide de métabolites bactériens. Bien que ces métabolites puissent avoir des effets négatifs sur les mécanismes de cicatrisation à court terme, ils peuvent à long terme empêcher une transformation cancéreuse des cellules souches.

En effet, une étude récente de Moeller et al. a identifié que le microbiote intestinal humain descendait d’anciens symbiotes spécifiés simultanément avec les humains et les singes africains en testant la cospéciation entre les hominidés et le microbiote intestinal. Dans l’ensemble, ces études fournissent des indices sur la manière dont le butyrate (bactérie productrice de butyrate) a aidé à affiner les systèmes intestinaux soutenant le concept de co-évolution des microbiotes-mammifères pour se soutenir mutuellement. existence.