Kolonkrypter er naturlige portvakter av mikrobielle metabolitter for å beskytte stamceller | Jiotower

Tarmmikrobiota utvikler seg sammen med sine pattedyrverter i over 15 millioner år i et gjensidig symbiotisk forhold. Mens cellulære og molekylære mekanismer for tiden er ukjente, stiger de til anledningen til å tilpasse seg hverandres krav på enfascinerende måte. For eksempel, i løpet av tredje trimester av svangerskapet, gjennomgår tarmmikrobiota en fullstendig makeover for å produsere mer fett ved å øke Proteobakterier og Actinobakterier for å støtte den voksende babyen og den gravide moren (1).Den kritiske naturen til tarmmikrobiota er nå høyt verdsatt i utvikling og vedlikehold av immun -, nevrale, vaskulære og inmetabolske systemer av verten. Mikrobiota regnes som et spesielt utviklende organ i mennesker. Flere genetiske og eksterne faktorer som mutasjoner, betennelser, infeksjoner, kosthold, antibiotika er kjent for å påvirke dynamikken i mikrobielle samfunn i tarmenog spiller en kritisk rolle i å modulere både medfødte og adaptive immunsystem. Flere anstrengelser har blitt gjort, og andre er for øyeblikket undermåte å definere komplekse mikrobiota – vertsinteraksjoner (god vs dårlig, årsak vs konsekvens) ved hjelp av dyremodeller. Enda viktigere er det klart at overdreven bruk av antibiotika i alle stadier av menneskelivet kan ha vesentlig bidratt til økte metabolske forstyrrelser i menneskelige populasjoner.

mens mikrober direkte påvirker utviklingen av immunsystemet, antas mange av de gunstige / patogene effektene å være avledet av mikrobielle metabolitter (produsert av tarmbakterier fra diettfaktorer). De fleste mikrobielle metabolitter er små molekyler, og de sirkulerende konsentrasjonene av disse hos mennesker varierer fra mikromolære til millimolare konsentrasjoner. Ved dissekonsentrasjoner viser de ofte alvorlig toksisitet eller anti-proliferative effekter på ulike celletyper. Interessant, vertssystemetbegrenser ofte uønskede aktiviteter av metabolitter til tross for at de ble produsert i mikromolære sirkulerende konsentrasjoner. Dermed er det av stor interesse å undersøke mekanismene som er vedtatt av vertens tarmsystem for å utnytte disse metabolittene.

en nylig studie Av Kaiko et al. (2) adressert dette problemet ved å benytte severalin vitro og in vivo modeller. Den generelle hypotesen til denne studien er at kryptstrukturenebeskytt stammen / stamceller fra oppløselige mikrobiota-avledede signaler tilstede i tarmlumen. Først testet de antiproliferative effekter av 96 mikrobielle metabolitter på raskt delende Lgr5 + stamme / stamceller. Disse cellene varforberedt ved å berikke kolonepitelceller isolert fra Cdc25A-klikk beetle red luciferase reporter mus. De identifiserte den classicmikrobielle metabolitten, butyrat, som en fremtredende hemmer av intestinal stamme/stamceller proliferasjon. Butyrat er en bakteriell stivelsesfermentert diett kortkjedet fettsyre og produseres hovedsakelig av Noen Gram-positive anaerobe bakterier i tarmen. Konsentrasjonen av butyrat kan nås opp til millimolar konsentrasjon i tarmlumen dvs. ~5 mM i mus og ~70 mM hos mennesker. Den antiproliferative aktiviteten på stamceller motsier tidligere rapporter hvor butyrat har vært godt etablert som en gunstig metabolitt. For eksempel Furusawa et al. (3) Og Arpaia etal. (4) viste at butyrat fremmer anti-inflammatorisk perifer regulatoryT-celle generasjon. Viktigst, i disse studiene rapporterte de at butyrat oppregulerte histon H3-acetyleringen I FoxP3promoter-regionen og så vel som ved intronisk forsterker konserverte ikke-kodende sekvens 1 (CNS1) og CNS2-regioner. I lignende sammenheng viste Medzhitovs gruppe at butyrat regulerer intestinal makrofagfunksjon ved å hemme histondeacetylase (HDAC)som etablerer butyrat-antiinflammatorisk aktivitet (5).

Kaiko et al. (2) startet med hypotesen om at kryptstrukturer beskytter tarmstammen/progenitoren fra butyrat anti-proliferativ aktivitet. Denne gruppen mistenkte at morfologi av krypt utviklet seg ikke merelyfor å øke næringsabsorpsjonen, men for å beskytte bassenget av stamme/stamceller fra skadelige metabolitter. For å gi bevis på konseptet, brukte de sebrafisk modell, som mangler kryptstrukturer i tarmen. Det er viktig at sebrafisken heller ikke harbutyrat-produserende bakterier. Eksponering av butyrat til sebrafisk undertrykte signifikant epitelcelleproliferasjonen i tarmbukken. Disse studiene ga bevis på at kryptstrukturer potensielt utviklet seg for å forhindre anti-proliferativeaktivitet av butyrat (andre bivirkninger av mikrobielle metabolitter) i høyere organismer. For å takle den kritiske beskyttende rollen som krypter i høyere organismer, har de benyttet to uavhengige metoder for å eliminere kryptstrukturer i musemodeller. Først har debehandlet mus med dextran natriumsulfat (DSS) der integriteten til krypter blir ødelagt, og for det andre skadet de fysisk tarmforing med biopsitang for å fjerne 1 mm2 fragmenter av kolonslimhinnen. I begge modellene observerte debetydelige undertrykkende effekter av eksogent butyrat på proliferasjon av epitelstamme / stamceller i krypter tilstøtende slepte områder. Interessant, da de utarmet bakteriene som var ansvarlige for butyratproduksjon, observerte de redusert sårstørrelse inDSS-behandlede mus og kunne reversere denne effekten ved å gi butyrat eller fekal transplantasjon som inneholder butyrat-produserende bakterier. Samlet, Kaiko et al. demonstrert at krypt strukturer hindre butyrat anti-proliferative aktiviteter på colonicstem / stamceller de bor ved foten av krypter.

Neste, Kaiko et al. (2) spurt om beskyttelsen er basert på diffusjon (nå fra overflaten til bunnen av krypten) eller butyrat metaboliseres videre av epitelceller på toppen av krypt strukturer. For å undersøke den metabolske kapasiteten til overflatekolonocytter (svært differensiert) utviklet de in vitro cellekultursystem av differensierte kolonocytter fra kolonstamceller. Disse cellene konsumerte rundt 30% butyrat, når de vokste i nærvær av eksternt tilsatt butyrat og supernatantene reduserte signifikant den anti-proliferative aktiviteten på stamme / stamceller som foreslo colonocytter bruker faktisk butyrat for å beskytte stamceller. Videre viste de at butyrat,men ikke andre Scfa (propionat, acetat) metaboliseres av kolonocytter (men ikke av stamceller) som substrat for oksidativ fosforylering (OXPHOS) for deres energikilde. Metabolismen av butyrat av kolonocytter ble undersøkt i musemodeller som brukte mus mangelfull i acyl CoA dehydrogenaser (ACADs). ACADs er viktige enzymer som konverterer butyrat til acetyl-CoA og sterkt uttrykt i kolonocytter. ACADs – / – mus viste redusert stamme / stamcelleproliferasjon sammenlignet med villtype. Eksogen eksponering av butyrat ytterligere redusertstamme/stamcelleproliferasjon. Interessant, Når ACADs – / – mus behandles MED DSS, ble signifikant redusertstemcelleproliferasjon med eller uten eksponering av butyrat observert. Samlet sett fremhever disse studiene at butyratoksidasjonsvei i kolonocytter var nødvendig for å begrense eksponeringen av stamme/stamceller til luminal butyrat. Disse resultatene fremhever hvordan sammenutviklet vert og mikrobiota fullt ut fyller deres energibehov og beskytter kritiske celler samtidig. Asdemonstrerte kolonocytter uttrykte sterkt butyratmetaboliserende enzymer sammenlignet med andre metabolske enzymer involvert I Scfautilisering, som ikke viser antiproliferativ aktivitet på stamceller. De differensierte kolonocyttene reduserer utelukkendemetaboliserer for deres energikilde og samtidig beskytter mot undertrykkelse av stamceller.

i denne studien undersøkte forfatterne også mekanismene som er ansvarlige for butyrat-induserte antiproliferative aktiviteter på kolonistem/stamceller. De identifiserte at butyrat hemmet HDAC-aktiviteten betydelig ved å øke acetyleringen i stamceller ved både histon H3K27-og H3K9-stedene. HDAC-hemmere (trichostatin A) reverserte fenotypen, noe som tyder på at antiproliferativ aktivitet av butyrat medieres Gjennom HDACs. Videre utforsket de å identifisere transkripsjonsfaktorene som er ansvarlige for densaksjoner gjennom genom-wide chromatin immunoprecipitation sequencing (ChIP-seq) og formaldehydassistert isolering av regulatoriske elementssequencing (FAIRE-seq) av butyrat-behandlede kolonstamme/stamceller. De fokuserte på transkripsjonsfaktorene som regulerercelle-syklus. Deres analyse identifiserte at butyrat regulerer Foxo1 og Foxo3 transkripsjonsfaktorer som svært spådde kandidater. De bekreftet disse observasjonene ved å benytte farmakologisk og genetisk hemming Av Foxo1-og Foxo3-aktivitet, der de rapporterer at aktivering Av Foxo3 er kritisk for butyrat anti-proliferativ aktivitet. Oppsummert viste de at butyrat virker påstem / stamceller til acetylathistoner og induserer En Foxo3-avhengig undertrykkelse av proliferasjon som negativ celle-cykleregulator (Figur 1).

den nåværende studien mens du forklarer noen av de grunnleggende forståelsen av kryptbiologiske aktiviteter, øker noen interessantespørsmål. Flere studier rapporterte de gunstige effektene av butyrat i ulcerøs kolitt pasienter gjennom sin anti-inflammatoryactivities. Imidlertid er nivået av beskyttende effekter potensielt avhengig av omfanget av skade på krypter. Resultatene peker på at tilstedeværelsen av butyrat på den skadede kolon krypten området til slutt vil tregere prosessen med krypten regenerering ved å redusere stammen cellexpansion gjennom sin anti-proliferative aktiviteter. Ved å undertrykke, de raskt delende stamceller under slimhinneskader potensieltbeskytt stamceller fra bivirkninger av direkte kontakt med genotoksisk luminal innhold. Det kan postuleres at vertsmikrobiot utviklet disse systemene for å unnslippe fra epitel – / stamcelletransformasjon og redusere risikoen for å utvikle kreft. Det er viktig forverten for å beskytte stammen / stamceller fra en slik transformasjon; derfor utviklet de intriguingly urfolksystemer hvorde ofrer seg selv (undertrykker stamme/stamfader proliferasjon) ved hjelp av bakterielle metabolitter. Selv om disse metabolittene kan vise negative effekter på kortsiktige sårhelingsmekanismer, kan de på lang sikt forhindre en kreftformet transformasjon av stemcells.

faktisk, en nylig studie Av Moeller et al. identifisert at menneskelig tarmmikrobiota stammer fra gamle symbionter som speciated samtidig med mennesker og De Afrikanske aper ved å teste cospeciation mellom hominids og gut microbiota. Samlet sett gir disse studiene ledetråder hvordan butyrat (butyrat-produserende bakterier) hjalp til med å finjustere tarmsystemer som støtter konseptet om evolusjon av mikrobiota-pattedyr for å støtte hverandres eksistens.