Colon crypten zijn natuurlijke poortwachters van microbiële metabolieten ter bescherming van stamcellen | Jiotower

darmmicrobiota evolueert samen met hun zoogdiergastheren gedurende meer dan 15 miljoen jaar in een Wederzijdse symbiotische relatie. Terwijl de cellulaire en moleculaire mechanismen momenteel onbekend zijn, stijgen zij aan de gelegenheid in het aanpassen aan elkaars behoeften op een oplopende manier. Bijvoorbeeld, tijdens het derde trimester van zwangerschap, ondergaat de darmmicrobiota een volledige makeover om meer fatsby stijgende Proteobacteria en Actinobacteria te produceren om de groeiende baby en zwangere moeder (1) te steunen.De kritieke aard van darmmicrobiota wordt nu hoogst gewaardeerd in ontwikkeling en onderhoud van immune, neurale, vasculaire evenals inmetabolic systemen van de gastheer. Microbiota wordt beschouwd als een speciaal evoluerend orgaan binnen mensen. Verscheidene genetische en externe factors zoals veranderingen, ontsteking, besmettingen, dieet, antibiotica zijn gekend om de dynamica van microbiële gemeenschappen in de darm te beà nvloeden en spelen een kritieke rol in het moduleren van zowel ingeboren als adaptieve immuunsysteem. Verscheidene inspanningen zijn gemaakt en anderen zijn huidig underway om complexe microbiota-gastheerinteractie (goed versus slecht; oorzaak Versus gevolg) gebruikend dierlijke modellen te definiëren. Belangrijker, wordt het duidelijk dat overmatig gebruik van antibiotica in elk stadium van het menselijk leven remendously tot de verhoogde metabolische wanorde in menselijke bevolking zou kunnen hebben bijgedragen.

terwijl microben de ontwikkeling van het immuunsysteem rechtstreeks beïnvloeden, wordt aangenomen dat veel van de gunstige/pathogene effecten worden beïnvloed door microbiële metabolieten (geproduceerd door darmbacteriën uit voedingsfactoren). De meeste microbiële metabolieten zijn kleine moleculen en de circulerende concentraties hiervan in de mens variëren van micromolaire tot millimolaire concentraties. Bij deze concentraties, vertonen zij vaak strenge giftigheid of anti-proliferative gevolgen op diverse celtypes. Interessant is dat het gastheersysteem vaak nadelige activiteiten van metabolieten beperkt ondanks het feit dat ze werden geproduceerd in micromolaire circulerende concentraties. Aldus, is het onderzoeken van de mechanismen die door het gastheerintestinale systeem worden goedgekeurd om deze metabolites te gebruiken van groot belang.

een recente studie door Kaiko et al. (2) Dit probleem aangepakt door gebruik te maken van severalin vitro en in vivo modellen. De algemene hypothese van deze studie is dat de crypt structuresprotect de stam/vooroudercellen van oplosbare microbiota-afgeleide signalen huidig in het intestinale lumen. Eerst testten ze de anti-proliferatieve effecten van 96 microbiële metabolieten op snel delende lgr5+ stam/voorlopercellen. Deze cellen werden voorbereid door epitheliale cellen van de dikke darm te verrijken geïsoleerd uit Cdc25A-klik kever rode luciferase reporter muizen. Zij identificeerden de classicmicrobial metabolite, butyraat, als een prominente inhibitor van intestinale stam/voorlopercellen proliferatie. Butyraat is een bacterieel gestempeld voedingsvetzuur met korte keten en wordt voornamelijk geproduceerd door sommige grampositieve anaërobe bacteriën in de darm. De concentratie vanbutyraat kan worden bereikt tot millimolaire concentratie in het darmlumen d.w.z., ~5 mM In muis en ~70 mM in mensen. De anti-proliferatieve activiteiten op stam – / voorlopercellen zijn in tegenspraak met de vorige rapporten waar butyraat goed is vastgesteld als abeneficiële metaboliet. Bijvoorbeeld Furusawa et al. (3) en Arpaia etal. (4) aangetoond dat butyraat bevordert de anti-inflammatoire perifere regulatoryT-cel generatie. Het belangrijkst, in deze studies, rapporteerden zij dat butyraat de histone H3 acetylation van het Foxp3 Bevordergebied en evenals bij intronic versterker bewaarde niet-codeeropeenvolging 1 (CNS1) en CNS2 gebieden upreguleerde. In dezelfde context toonde Medzhitov ‘ s groep aan dat butyraat de intestinale macrofaagfunctie reguleert door histondeacetylase (HDAC)te remmen tot ontstekingsremmende activiteiten van butyraat (5).

Kaiko et al. (2) begon met de hypothese dat crypt structuren de intestinale stam/stamvader beschermen tegen butyraat anti-proliferatieve activiteit. Deze groep vermoedde dat de morfologie van crypt niet merely evolueerde om de opname van voedingsstoffen te verbeteren, maar om de pool van Stam/voorlopercellen tegen schadelijke metabolieten te beschermen. Om bewijs van concept te leveren, gebruikten ze zebrafish model, dat de Crypte structuren in zijn darm mist. Belangrijk is dat de zebravis ook de butyraat-producerende bacteriën niet herbergt. Blootstelling van butyraat aan zebravis onderdrukte significant de epitheliale celproliferatie binnen de intestinale uitstulping. Deze studies verstrekten bewijs van concept dat crypt structuren potentieel geëvolueerd om anti-proliferativeactivities van butyraat (andere nadelige gevolgen van microbiële metabolites) in hogere organismen te verhinderen. Om de kritische beschermende rol van crypten in hogere organismen aan te pakken, hebben ze twee onafhankelijke methoden gebruikt om crypt structuren in muismodellen te elimineren. Ten eerste hebben ze muizen behandeld met dextraan natriumsulfaat (DSS) waarin de integriteit van crypten worden vernietigd en ten tweede, ze fysiek verwond de intestinale voering met biopsie tang om 1 mm2 fragmenten van de dikke darm mucosa te verwijderen. In beide modellen, merkten zij significante onderdrukkende gevolgen van exogeen butyraat op de proliferatie van epitheliaale stam/voorlopercellen in crypten aangrenzende aan bounded gebieden op. Interessant, toen zij de bacteriën die verantwoordelijk zijn voor de productie van butyraat uitputten, merkten zij verminderde ulcus grootte inDSS-behandelde muizen en konden dit effect omkeren door butyraat of fecale transplantatie te verstrekken die butyraat-producerende bacteriën bevatten. Over het algemeen, Kaiko et al. aangetoond dat crypt structuren voorkomen dat de butyraat anti-proliferative activiteiten op colonicstem / progenitor cellen die zich bij de basis van de crypten.

Next, Kaiko et al. (2) gevraagd of de bescherming is gebaseerd op verspreiding (het bereiken van de oppervlakte aan basis van crypt) of butyraat wordt verder gemetaboliseerd door epitheliale cellen aan de bovenkant van crypt structuren. Onderzoek de metabolische capaciteit van oppervlaktecolonocytes (hoogst gedifferentieerd), ontwikkelden zij in vitro celculturesystem van gedifferentieerde colonocytes van colonic stamcellen. Deze cellen geconsumeerd rond 30% butyraat, wanneer gekweekt in de aanwezigheid vanexternaal toegevoegd butyraat en de supernatants aanzienlijk verminderd de anti-proliferatieve activiteit op stam/voorlopercellen suggereren colonocyten gebruiken inderdaad het butyraat om stamcellen te beschermen. Verder toonden zij aan dat butyraat, maar niet andere SCFAs (propionaat,acetaat) door colonocyten (maar niet door stamcellen) als substraat voor oxidatieve phosphorylation (OXPHOS) voor hun energiebron wordt gemetaboliseerd. Het metabolisme van butyraat door colonocyten werd onderzocht in muismodellen gebruikend muizen deficiënt in acyl CoA dehydrogenases(ACADs). ACADs zijn zeer belangrijke enzymen die butyraat in acetyl-CoA omzetten en hoogst uitgedrukt in colonocytes. ACADs – / – muizen vertoonden een verminderde stam / voorlopercelproliferatie in vergelijking met wild type. Exogene blootstelling aan butyraat verminderde verder de proliferatie van Stam/voorlopercellen. Interessant, wanneer ACADs – / – muizen met DSS worden behandeld, werd beduidend verminderde celproliferatie met of zonder blootstelling van butyraat waargenomen. In het algemeen wijzen deze studies erop dat oxidatiepathway in colonocyten nodig was om de blootstelling van Stam – /voorlopercellen aan luminaal butyraat te beperken. Deze resultaten benadrukken hoe intricately Co-geëvolueerd gastheer en microbiota om hun energievereisten volledig te vullen en tegelijkertijd kritieke cellen te beschermen. Asdemonstrated colonocytes sterk uitgedrukt de butyraat metaboliserende enzymen in vergelijking met andere metabolische enzymen betrokken bij SCFAutilization, die geen anti-proliferatieve activiteiten op stamcellen tonen. De gedifferentieerde colonocytes verminderen exclusivelymetabolizes voor hun energiebron en beschermen tegelijkertijd tegen onderdrukking van stamcellen.

in deze studie onderzochten de auteurs ook de mechanismen die verantwoordelijk zijn voor butyraat geïnduceerde anti-proliferatieve activiteiten op colonicstem/voorlopercellen. Zij identificeerden dat butyraat beduidend HDAC activiteiten remde door acetylation in stam/vooroudercellen op zowel histone h3k27 als h3k9 plaatsen te verhogen. De HDAC-remmers (trichostatine A) reverseerden het fenotype wat suggereert dat anti-proliferatieve activiteiten van butyraat worden gemedieerd door HDACs. Verder, verkenden zij om de transcriptiefactoren te identificeren zijn de oorzaak van zijnacties door genoom-brede chromatin immunoprecipitation rangschikkend (Spaander-seq) en formaldehyde-bijgestane isolatie van regelgevende elementssequencing (faire-seq) van butyraat-behandelde colonenstam/vooroudercellen. Ze richtten zich op de transcriptiefactoren die de celcyclus reguleren. Hun analyse identificeerde dat butyraat foxo1 en Foxo3 transcriptiefactoren reguleert als hoogst voorspelde kandidaten. Zij bevestigden deze waarnemingen door gebruik te maken van farmacologische en genetische remming van Foxo1-en Foxo3-activiteit, waar zij melden dat activatie van Foxo3 cruciaal is voor anti-proliferatieve activiteit van butyraat. Samengevat toonden zij aan dat butyraat onstem/voorlopercellen inwerkt tot acetylaathistonen en een foxo3-afhankelijke onderdrukking van proliferatie induceert als negatieve celcycleregulator (figuur 1).

de huidige studie terwijl het verklaren van een aantal van het fundamentele begrip van crypt biologische activiteiten verhoogt sommige interessante vragen. Verschillende studies meldden de gunstige effecten van butyraat bij patiënten met colitis ulcerosa door de ontstekingsremmende werking ervan. Nochtans, hangt het niveau van beschermende gevolgen potentieel van de omvang van schade van crypts af. De resultaten wijzen erop dat de aanwezigheid van butyraat bij het beschadigde gebied van de colonic crypt uiteindelijk het proces van Crypt regeneratie door het verminderen van stamcellexpansion door zijn anti-proliferative activiteiten zal vertragen. Door onderdrukking beschermen de snel delende stamcellen tijdens slijmvliesschade mogelijk de stamcellen tegen nadelige effecten van direct contact met genotoxische luminale inhoud. Het zou kunnen worden gepostuleerd dat gastheer-microbiot deze systemen ontwikkelden om van epithelial/stamceltransformatie te ontsnappen en het risico om kanker te ontwikkelen te verminderen. Het is belangrijk voor de gastheer om de stam/stamcellen te beschermen tegen een dergelijke transformatie; daarom, zij intrigerend Co-evolueerden inheemse systemen waar zij zichzelf opofferen (het onderdrukken van Stam / progenitorproliferatie) met behulp van bacteriële metabolites. Hoewel deze metabolieten kunnen wijzen op negatieve effecten op de korte termijn wondgenezing mechanismen, op de lange termijn kunnen ze voorkomen dat een kankerachtige transformatie van stamcellen.

inderdaad, een recente studie door Moeller et al. geà dentificeerd dat menselijke darmmicrobiota afstamde van oude symbiontendie gelijktijdig met mensen en de Afrikaanse apen specieerden door de cospeciatie tussen mensachtigen en darmmicrobiota te testen. Globaal, verstrekken deze studies aanwijzingen hoe butyraat (butyraat-producerende bacteriën) in het fijn afstemmen van intestinale systemen hielp ondersteunend het concept van co-evolutie van microbiota-zoogdieren om elkaar bestaan te steunen.