Le cripte del colon sono custodi naturali dei metaboliti microbici per proteggere le cellule staminali | Jiotower

Il microbiota intestinale è in co-evoluzione con i loro ospiti di mammiferi per oltre 15 milioni di anni in una relazione simbiotica reciproca. Mentre i meccanismi cellulari e molecolari sono attualmente sconosciuti, si alzano all’occasione nell’adattarsi ai requisiti di ogni altro in un modo affascinante. Ad esempio, durante il terzo trimestre di gravidanza, il microbiota intestinale subisce un rifacimento completo per produrre più grassi aumentando proteobatteri e actinobatteri per sostenere il bambino in crescita e la madre incinta (1).La natura critica del microbiota intestinale è ora molto apprezzata nello sviluppo e nel mantenimento di sistemi immunitari, neurali, vascolari e inmetabolici dell’ospite. Il microbiota è considerato come uno speciale organo in evoluzione all’interno degli esseri umani. Diversi fattori genetici ed esternicome mutazioni, infiammazioni, infezioni, dieta, antibiotici sono noti per influenzare la dinamica delle comunità microbiche nell’intestinoe svolgono un ruolo critico nella modulazione sia del sistema immunitario innato che adattativo. Diversi sforzi sono stati fatti e altri sono attualmente in corso per definire complesse interazioni microbiota-ospite (buono vs. cattivo; causa vs. conseguenza) utilizzando modelli animali. Ancora più importante, sta diventando chiaro che l’uso eccessivo di antibiotici in ogni fase della vita umana potrebbe aver contribuito enormemente all’aumento dei disturbi metabolici nelle popolazioni umane.

Mentre i microbi influenzano direttamente lo sviluppo del sistema immunitario, si ritiene che molti degli effetti benefici/patogeni siano mediati dai metaboliti microbici (prodotti dai batteri intestinali da fattori dietetici). La maggior parte dei metaboliti microbici sono piccole molecole e le concentrazioni circolanti di questi nell’uomo variano da concentrazioni micromolari a millimolari. A theseconcentrations, spesso esibiscono la tossicità severa o gli effetti antiproliferativi sui vari tipi delle cellule. È interessante notare che il sistema ospitantespesso riduce le attività avverse dei metaboliti nonostante siano state prodotte in concentrazioni circolanti micromolari. Pertanto, studiare i meccanismi adottati dal sistema intestinale ospite per utilizzare questi metaboliti è di grande interesse.

Un recente studio di Kaiko et al. (2) affrontato questo problema utilizzando severalin modelli in vitro e in vivo. L’ipotesi generale di questo studio è che le strutture della criptaproteggere le cellule staminali / progenitrici dai segnali derivati dal microbiota solubile presenti nel lume intestinale. In primo luogo, hanno testato gli effetti anti-proliferativi di 96 metaboliti microbici su cellule staminali/progenitrici Lgr5+ che si dividono rapidamente. Queste cellule sono state preparate arricchendo le cellule epiteliali del colon isolate da topi reporter luciferasi rossa del coleottero Cdc25A-click. Hanno identificato il metabolita microbico classico, il butirrato, come un inibitore prominente della proliferazione delle cellule staminali/progenitrici intestinali. Il butirrato è un acido grasso a catena corta alimentare batterico amidofermentato ed è prodotto principalmente da alcuni batteri anaerobici gram-positivi nell’intestino. La concentrazione di butirrato può essere raggiunta fino a una concentrazione millimolare nel lume intestinale, cioè ~5 mm nel topo e ~70 mM nell’uomo. Le attività antiproliferative sulle cellule staminali / progenitrici contraddicono i precedenti rapporti in cui il butirrato è stato ben stabilito come metabolita abeneficial. Ad esempio, Furusawa et al. (3) e Arpaia etal. (4) ha dimostrato che il butirrato promuove la generazione periferica antinfiammatoria delle cellule di regulatoryT. Ancora più importante, in questi studi, hanno riferito che il butirrato ha sovraregolato l’acetilazione dell’istone H3 della regione di FoxP3promoter e così come l’enhancer intronico ha conservato la sequenza non codificante 1 (CNS1) e le regioni CNS2. Nel contesto simile, il gruppo di Medzhitov ha dimostrato che il butirrato regola la funzione dei macrofagi intestinali inibendo la deacetilasi dell’istone (HDAC)stabilendo attività antinfiammatorie del butirrato (5).

Kaiko et al. (2) iniziato con l’ipotesi che le strutture della cripta proteggano il fusto intestinale/progenitore dall’attività anti-proliferativa del butirrato. Questo gruppo sospettava che la morfologia della cripta si evolvesse non soloper migliorare l’assorbimento dei nutrienti, ma per proteggere il pool di cellule staminali/progenitrici dai metaboliti dannosi. Per fornire la prova del concetto, hanno utilizzato il modello zebrafish, che manca delle strutture della cripta nel suo intestino. È importante sottolineare che anche il pesce zebra non ospita i batteri produttori di butirrato. L’esposizione del butirrato al pesce zebra ha significativamente soppresso la proliferazione delle cellule epiteliali all’interno del rigonfiamento intestinale. Questi studi hanno fornito la prova del concetto che le strutture crittografiche potenzialmente si sono evolute per prevenire le attività anti-proliferative del butirrato (altri effetti avversi dei metaboliti microbici) negli organismi superiori. Per affrontare il ruolo protettivo critico delle cripte negli organismi superiori, hanno utilizzato due metodi indipendenti per eliminare le strutture crittografiche nei modelli murini. In primo luogo, hannotrattato topi con solfato di sodio destrano (DSS) in cui l’integrità delle cripte viene distrutta e in secondo luogo, hanno ferito fisicamente ilrivestimento intestinale con pinza bioptica per rimuovere frammenti di 1 mm2 della mucosa del colon. In entrambi i modelli, hanno osservato significativi effetti soppressivi del butirrato esogeno sulla proliferazione delle cellule staminali/progenitrici epiteliali nelle cripte adiacenti alle aree circondate. È interessante notare che, quando hanno esaurito i batteri responsabili della produzione di butirrato, hanno osservato una diminuzione delle dimensioni dell’ulcera nei topi trattati con inDSS e potrebbero invertire questo effetto fornendo butirrato o trapianto fecale contenente batteri produttori di butirrato. Nel complesso, Kaiko et al. dimostrato che le strutture della cripta impediscono le attività anti-proliferative del butirrato sulle cellule coloniche / progenitrici che risiedono alla base delle cripte.

Avanti, Kaiko et al. (2) chiesto se la protezione si basa sulla diffusione (raggiungendo dalla superficie alla base della cripta) o butirrato è ulteriormente metabolizzato dalle cellule epiteliali nella parte superiore delle strutture cripta. Peresaminare la capacità metabolica dei colonociti superficiali (altamente differenziati), hanno sviluppato in vitro un sistema di coltura cellulare di colonociti differenziati da cellule staminali del colon. Queste cellule consumavano circa il 30% di butirrato, se coltivate in presenza di butirrato aggiunto all’esterno e i surnatanti riducevano significativamente l’attività anti-proliferativa sulle cellule staminali/progenitrici suggerendo che i colonociti utilizzassero effettivamente il butirrato per proteggere le cellule staminali. Inoltre, hanno dimostrato che il butirrato, ma non altri SCFA (propionato,acetato) viene metabolizzato dai colonociti (ma non dalle cellule staminali) come substrato per la fosforilazione ossidativa (OXPHOS) per la loro fonte di energia. Il metabolismo del butirrato da parte dei colonociti è stato esaminato in modelli murini che utilizzano topi carenti di acil CoA deidrogenasi (ACADs). Gli ACAD sono enzimi chiave che convertono il butirrato in acetil-CoA e altamente espressi nei colonociti. ACADs – / – i topi hanno mostrato una diminuzione della proliferazione delle cellule staminali / progenitrici rispetto al tipo selvaggio. L’esposizione esogena del butirrato si è ulteriormente ridottaproliferazione delle cellule staminali/progenitrici. È interessante notare che, quando ACADs – / – topi sono trattati con DSS, significativamente ridotto proliferazione cellulare stem con o senza esposizione di butirrato è stato osservato. Nel complesso, questi studi evidenziano che l’ossidazione del butirrato nei colonociti era necessaria per limitare l’esposizione delle cellule staminali/progenitrici al butirrato luminale. Questi risultati evidenziano howintricately co-evoluto ospite e microbiota per riempire completamente il loro fabbisogno energetico e proteggere le cellule critiche allo stesso tempo. I colonociti Asdemonstrated altamente hanno espresso gli enzimi metabolizzanti del butirrato rispetto ad altri enzimi metabolici coinvolti nella scfautilizzazione, che non mostrano attività anti-proliferative sulle cellule staminali. I colonociti differenziati riducono l’esclusivamentemetabolizza per la loro fonte di energia e allo stesso tempo protegge dalla soppressione delle cellule staminali.

In questo studio, gli autori hanno anche studiato i meccanismi responsabili delle attività anti-proliferative indotte dal butirrato sulle cellule coloniche/progenitrici. Hanno identificato che il butirrato inibiva significativamente le attività HDAC aumentando l’acetilazione nelle cellule staminali / progenitrici sia nei siti dell’istone H3K27 che H3K9. Gli inibitori delle HDAC (trichostatina A) hanno invertito il fenotipo suggerendo che le attività anti-proliferative del butirrato sono mediate attraverso le HDAC. Inoltre, hanno esplorato per identificare i fattori di trascrizione responsabili delle sue azioni attraverso il sequenziamento dell’immunoprecipitazione della cromatina a livello del genoma (ChIP-seq) e l’isolamento assistito dalla formaldeide degli elementi regolatori (FAIRE-seq) delle cellule staminali/progenitrici del colon trattate con butirrato. Si sono concentrati sui fattori di trascrizione che regolanociclo cellulare. La loro analisi ha identificato che il butirrato regola i fattori di trascrizione Foxo1 e Foxo3 come candidati altamente previsti. Hanno confermato queste osservazioni utilizzando l’inibizione farmacologica e genetica dell’attività di Foxo1 e Foxo3, dove riferiscono che l’attivazione di Foxo3 è la critica per l’attività anti-proliferativa del butirrato. In sintesi, hanno dimostrato che il butirrato agisce sulle cellule staminali/progenitrici per acetilare gli istoni e induce una soppressione della proliferazione dipendente da Foxo3 come regolatore negativo del ciclo cellulare (Figura 1).

L’attuale studio mentre spiega alcune delle conoscenze di base delle attività biologiche della cripta solleva alcune domande interessanti. Diversi studi hanno riportato gli effetti benefici del butirrato nei pazienti con colite ulcerosa attraverso le sue attività antinfiammatorie. Tuttavia, il livello degli effetti protettivi dipende potenzialmente dall’entità del danno delle cripte. I risultati indicano che la presenza di butirrato nell’area danneggiata della cripta del colon alla fine rallenterà il processo di rigenerazione della cripta diminuendo la cellexpansion dello stelo attraverso le sue attività anti-proliferative. Sopprimendo, le cellule staminali che si dividono rapidamente durante il danno mucosale potenzialmenteproteggere le cellule staminali dagli effetti avversi del contatto diretto con il contenuto luminale genotossico. Si potrebbe postulare che il microbiota ospite abbia sviluppato questi sistemi per sfuggire alla trasformazione delle cellule epiteliali/staminali e ridurre il rischio di sviluppare il cancro. È importante perl’ospite proteggere le cellule staminali / progenitrici da tale trasformazione; pertanto, hanno sistemi indigeni co-evoluti in modo intrigante dovesi sacrificano (sopprimendo la proliferazione di staminali / progenitori) con l’aiuto di metaboliti batterici. Anche se questi metaboliti possono mostrare effetti negativi sui meccanismi di guarigione delle ferite a breve termine, a lungo termine possono impedire una trasformazione cancerosa delle cellule staminali.

Infatti, un recente studio di Moeller et al. identificato che il microbiota intestinale umano discendeva da antichi simbionti che speciavano simultaneamente con gli esseri umani e le scimmie africane testando la cospeciazione tra ominidi e microbiota intestinale. Nel complesso, questi studi forniscono indizi su come il butirrato (batteri produttori di butirrato) abbia aiutato a mettere a punto i sistemi intestinali sostenendo il concetto di co-evoluzione dei microbiota-mammiferi per sostenersi a vicenda.