Krypty okrężnicy są naturalnymi strażnikami metabolitów drobnoustrojów w celu ochrony komórek macierzystych | Jiotower

mikrobiota jelitowa współwystępuje z ich gospodarzami ssaków przez ponad 15 milionów lat we wzajemnej symbiotycznej relacji. Chociaż mechanizmy komórkowe icząsteczkowe są obecnie nieznane, stają się one okazją do wzajemnego dostosowywania się do swoich wymagań w ascetyczny sposób. Na przykład, podczas trzeciego trymestru ciąży, mikrobiota jelitowa przechodzi całkowitą metamorfozę w celu wytworzenia większej ilości tłuszczóww celu zwiększenia Proteobakterii i Aktynobakterii w celu wsparcia rosnącego dziecka i ciężarnej matki (1).Krytyczny charakter mikrobioty jelitowej jest obecnie wysoko ceniony w rozwoju i utrzymaniu układu odpornościowego, nerwowego, naczyniowego, a także inmetabolicznego gospodarza. Mikrobiota jest uważana za specjalny rozwijający się narząd u ludzi. Wiele czynników genetycznych i zewnętrznych, takich jak mutacje, stany zapalne, infekcje, dieta, antybiotyki, wpływa na dynamikę społeczności drobnoustrojów w jelicie jelitowym i odgrywa kluczową rolę w modulowaniu zarówno wrodzonego, jak i adaptacyjnego układu odpornościowego. Podjęto kilka wysiłków, a inne są obecnie stosowane w celu zdefiniowania złożonych interakcji mikrobiota-gospodarz (dobre vs.złe; przyczyna vs. konsekwencja) przy użyciu modeli zwierząt. Co ważniejsze, staje się jasne, że nadmierne stosowanie antybiotyków na każdym etapie życia ludzkiego mogło w znacznym stopniu przyczynić się do nasilenia zaburzeń metabolicznych w populacji ludzkiej.

podczas gdy drobnoustroje bezpośrednio wpływają na rozwój układu odpornościowego, uważa się, że wiele korzystnych/patogennych efektów jest powodowanych przez metabolity drobnoustrojów (wytwarzane przez bakterie jelitowe z czynników dietetycznych). Większość metabolitów drobnoustrojów to małe cząsteczki, a ich krążące stężenia u ludzi wahają się od mikromolowych do milimolowych stężeń. W tych stężeniach często wykazują one ciężką toksyczność lub działanie antyproliferacyjne na różne typy komórek. Co ciekawe, system gospodarzczęsto ogranicza niekorzystne działania metabolitów, pomimo faktu, że zostały one wyprodukowane w mikromolowych stężeniach krążących. Tak więc badanie mechanizmów przyjętych przez system jelitowy gospodarza w celu wykorzystania tych metabolitów jest bardzo interesujące.

ostatnie badania Kaiko et al. (2) rozwiązał ten problem wykorzystując kilka modeli in vitro i In vivo. Ogólna hipoteza tego badania jest taka, że struktura kryptowaluty chronią komórki macierzyste/progenitorowe przed rozpuszczalnymi sygnałami pochodzącymi od mikrobioty obecnymi w świetle jelita. Po pierwsze, badali theanti-proliferacyjne działanie 96 metabolitów drobnoustrojów na szybko dzielące się komórki macierzyste / progenitorowe Lgr5+. Komórki te zostały odtworzone przez wzbogacenie komórek nabłonka jelita grubego wyizolowanych z myszy reporterowych Cdc25A-click beetle red luciferase. Zidentyfikowali oni klasyczny metabolit mikrobiologiczny, maślan, jako wybitny inhibitor proliferacji komórek macierzystych/progenitorowych jelit. Maślan jest bakteryjnym krótkołańcuchowym kwasem tłuszczowym o krótkim łańcuchu i jest głównie wytwarzany przez niektóre Gram-dodatnie bakterie beztlenowe w jelitach. Stężenie maślanu można osiągnąć do milimolowego stężenia w świetle jelita, tj. ~5 mM u myszy i ~ 70 mM u ludzi. Działania antyproliferacyjne na komórkach macierzystych / progenitorowych są sprzeczne z wcześniejszymi doniesieniami, w których maślan został dobrze ugruntowany jako metabolit szkodliwy. Na przykład, Furusawa et al. (3) i Arpaia etal. (4) wykazano, że maślan sprzyja przeciwzapalnemu obwodowemu regulatorowi generacji komórek. Co najważniejsze, w tych badaniach donoszono, że maślan regulował acetylację histonu H3 regionu Promotera FOXP3, a także w intronicznych wzmacniaczach zachowywał niekodującą sekwencję 1 (CNS1) i CNS2. W podobnym kontekście Grupa Medzhitova wykazała, że maślan reguluje funkcję makrofagów jelitowych poprzez hamowanie deacetylazy histonowej (HDAC), co powoduje działanie przeciwzapalne maślanu (5).

(2) rozpoczęty z hipotezą, że struktury crypt chronią jelitowy łodyga / progenitor przed maślaną aktywnością antyproliferacyjną. Grupa ta podejrzewała, że morfologia krypty wyewoluowała Nie w celu zwiększenia wchłaniania składników odżywczych, ale w celu ochrony puli komórek macierzystych/progenitorowych przed szkodliwymi metabolitami. Aby zapewnić dowód koncepcji, wykorzystali model danio pręgowanego, który nie ma struktur krypty w jelicie. Co ważne, danio pręgowany również nie przechowuje bakterii wytwarzających maślan. Ekspozycja maślanu na danio pręgowanego znacząco hamowała proliferację komórek nabłonkowych w obrębie wybrzuszenia jelitowego. Badania te dostarczyły dowodów na to, że struktury kryptograficzne potencjalnie ewoluowały w celu zapobiegania antyproliferacyjnym działaniom maślanu (inne niekorzystne skutki metabolitów drobnoustrojów) w organizmach wyższych. Aby rozwiązać krytyczną rolę ochronną szyfrów w organizmach wyższych, wykorzystali dwie niezależne metody eliminacji struktur kryptograficznych w modelach mysich. Po pierwsze, leczono myszy dekstranowym siarczanem sodu (DSS), w którym zniszczono integralność krypt, a po drugie, fizycznie uszkodzili wyściółkę jelitową kleszczami biopsyjnymi w celu usunięcia 1 mm2 fragmentów błony śluzowej jelita grubego. W obu modelach zaobserwowano znaczące hamujące działanie egzogennego maślanu na proliferację nabłonkowych komórek macierzystych/progenitorowych w kryptach sąsiadujących z obszarami orzęsionymi. Co ciekawe, kiedy wyczerpali bakterie odpowiedzialne za produkcję maślanu, zaobserwowali zmniejszenie rozmiaru wrzodów myszy leczonych inDSS i mogli odwrócić ten efekt poprzez dostarczenie maślanu lub przeszczepu kału zawierającego bakterie produkujące maślan. Ogólnie Rzecz Biorąc, Kaiko et al. wykazano, że struktury krypt zapobiegają maślanowym działaniom antyproliferacyjnym na komórkach kolonijnych/progenitorowych, które znajdują się u podstawy krypt.

następny, Kaiko i in. (2) pytanie, czy ochrona opiera się na dyfuzji(sięgającej od powierzchni do podstawy krypty) czy maślan jest dalej metabolizowany przez komórki nabłonkowe na szczycie struktur krypty. Aby zbadać zdolność metaboliczną kolonocytów powierzchniowych (wysoce zróżnicowanych), opracowali in vitro system hodowli komórek zróżnicowanych kolonocytów z kolonicznych komórek macierzystych. Komórki te zużywały około 30% maślanu, gdy były hodowane w obecności dodanego zewnętrznie maślanu i supernatantów znacznie zmniejszały aktywność antyproliferacyjną na komórkach macierzystych / progenitorowych, sugerując, że kolonocyty rzeczywiście wykorzystują maślan do ochrony komórek macierzystych. Ponadto wykazano, że maślan,ale nie inne Scfa (propionian, octan) jest metabolizowany przez kolonocyty (ale nie przez komórki macierzyste) jako substrat do fosforylacji oksydacyjnej (OXPHOS) dla ich źródła energii. Metabolizm maślanu przez kolonocyty badano w mysich modelach z wykorzystaniem myszy z niedoborem dehydrogenaz acylo-CoA (ACADs). Acady są kluczowymi enzymami, które przekształcają maślan w acetylo-CoA i silnie wyrażają się w kolonocytach. Myszy ACADs−/−wykazywały zmniejszoną proliferację komórek macierzystych / progenitorowych w porównaniu do typu dzikiego. Ekspozycja egzogenna na maślan dodatkowo zmniejszała proliferację komórek macierzystych i progenitorowych. Co ciekawe, gdy myszy Acad−/− leczone są DSS, zaobserwowano znaczne zmniejszenie proliferacji komórek z narażeniem na maślan lub bez niego. Ogólnie rzecz biorąc, badania te podkreślają, że droga utleniania maślanu w kolonocytach była konieczna do ograniczenia ekspozycji komórek macierzystych/progenitorowych na maślan luminalny. Wyniki te podkreślają, w jaki sposób współwystępuje współwystępujący gospodarz i mikrobiota, aby w pełni wypełnić swoje zapotrzebowanie energetyczne i jednocześnie chronić krytyczne komórki. Asdemonstrated colonocytes highly expressed the matyrate metabolizing enzymes compared to other metabolic enzymes involved in SCFAutilization, which do not show anti-proliferative activities on stem cells. Zróżnicowane kolonocyty redukują wyłącznymetabolizes dla ich źródła energii i jednocześnie chronią przed supresją komórek macierzystych.

w tym badaniu autorzy zbadali również mechanizmy odpowiedzialne za indukowane maślanem działania antyproliferacyjne na komórkach kolonijnych/progenitorowych. Zidentyfikowali oni, że maślan znacząco hamował aktywność HDAC poprzez zwiększenie acetylacji komórek macierzystych / progenitorowych zarówno w miejscach histonu h3k27, jak i h3k9. Inhibitory HDAC (trichostatyna A) odwróciły fenotyp sugerujący działanie przeciw proliferacyjne maślanu pośredniczy w Hdac. Ponadto badali zidentyfikować czynniki transkrypcyjne są odpowiedzialne za itsactions poprzez sekwencjonowanie immunoprecypitacji chromatyny w całym genomie (ChIP-seq) i wspomaganą formaldehydem izolację sekwencjonowania elementów regulatorowych (FAIRE-seq)komórek macierzystych/progenitorowych leczonych maślanem. Skupiali się na czynnikach transkrypcyjnych, które regulują cykl komórkowy. Ich analiza wykazała, że maślan reguluje czynniki transkrypcyjne Foxo1 i Foxo3 jako wysoce przewidywanych kandydatów. Potwierdzili te obserwacje, wykorzystując farmakologiczne i genetyczne hamowanie aktywności Foxo1 i Foxo3, gdzie donoszą, że aktywacja Foxo3 jest krytyczna dla maślanowej aktywności antyproliferacyjnej. Podsumowując, wykazano, że maślan działa na komórki macierzyste/progenitorowe na histony acetylowane i indukuje zależne od Foxo3 zahamowanie proliferacji jako ujemny cykl komórkowy (Fig.1).

obecne badania wyjaśniające niektóre podstawowe rozumienie aktywności biologicznej krypty wzbudzają pewne interesujące pytania. W kilku badaniach odnotowano korzystne działanie maślanu u pacjentów z wrzodziejącym zapaleniem jelita grubego poprzez jego działanie przeciwzapalne. Jednak poziom efektów ochronnych potencjalnie zależy od stopnia uszkodzenia krypt. Wyniki wskazują na to, że obecność maślanu w uszkodzonym obszarze krypty okrężnicy ostatecznie spowolni proces regeneracji krypty poprzez zmniejszenie cellexpansion łodygi poprzez jej działanie antyproliferacyjne. Poprzez hamowanie, szybko dzielące się komórki macierzyste podczas uszkodzenia błony śluzowej potencjalniechroń komórki macierzyste przed niekorzystnymi skutkami bezpośredniego kontaktu z genotoksyczną zawartością luminalu. Można postulować, że mikroorganizm gospodarza rozwinął te systemy, aby uciec od transformacji komórek nabłonkowych / macierzystych i zmniejszyć ryzyko rozwoju raka. Ważne jest, aby gospodarz chronił komórki macierzyste / progenitorowe przed taką transformacją; dlatego intrygująco współwystępują rodzime systemy, w których poświęcają się (hamując proliferację macierzystych / progenitorowych) za pomocą metabolitów bakteryjnych. Chociaż te metabolity mogą wykazywać negatywny wpływ na krótkoterminowe mechanizmy gojenia się ran, w dłuższej perspektywie mogą zapobiegać transformacji nowotworowej komórek macierzystych.

rzeczywiście, ostatnie badania Moeller et al. zidentyfikowano, że ludzka mikrobiota jelitowa pochodzi od starożytnych symbiontów, które specjalizowały się jednocześnie z ludźmi i afrykańskimi małpami, testując kospecyfikację między hominidami a mikrobiotą jelitową. Ogólnie rzecz biorąc, badania te dostarczają wskazówek, w jaki sposób maślan (bakterie produkujące maślan) pomógł w dostrajaniu systemów jelitowych wspierających koncepcję ewolucji mikrobioty-mammali, aby wspierać się nawzajem.