Kolonkrypten sind natürliche Gatekeeper mikrobieller Metaboliten zum Schutz von Stammzellen | Jiotower

Die Darmmikrobiota entwickelt sich seit über 15 Millionen Jahren in einer gegenseitigen symbiotischen Beziehung mit ihren Säugetierwirten. Während diezelluläre und molekulare Mechanismen sind derzeit unbekannt, Sie stellen sich der Gelegenheit, sich auf faszinierende Weise an die Anforderungen des anderen anzupassen. Zum Beispiel wird die Darmmikrobiota während des dritten Schwangerschaftstrimesters komplett überarbeitet, um mehr Fett zu produzieren, indem Proteobakterien und Aktinobakterien erhöht werden, um das wachsende Baby und die schwangere Mutter zu unterstützen (1).Die kritische Natur der Darmmikrobiota wird heute bei der Entwicklung und Aufrechterhaltung von Immun-, Nerven-, Gefäß- und inmetabolischen Systemen des Wirts sehr geschätzt. Die Mikrobiota gilt als ein sich entwickelndes Organ des Menschen. Es ist bekannt, dass mehrere genetische und externe Faktoren wie Mutationen, Entzündungen, Infektionen, Ernährung und Antibiotika die Dynamik mikrobieller Gemeinschaften im Darm beeinflussen und eine entscheidende Rolle bei der Modulation sowohl des angeborenen als auch des adaptiven Immunsystems spielen. Es wurden mehrere Anstrengungen unternommen, und andere sind derzeit auf dem Weg, komplexe Mikrobiota-Wirt-Interaktionen (gut vs. schlecht; Ursache vs. Folge) anhand von Tiermodellen zu definieren. Noch wichtiger ist, dass klar wird, dass ein übermäßiger Einsatz von Antibiotika in jedem Stadium des menschlichen Lebens in erheblichem Maße zu den erhöhten Stoffwechselstörungen in der menschlichen Bevölkerung beigetragen haben könnte.

Während Mikroben die Entwicklung des Immunsystems direkt beeinflussen, wird angenommen, dass viele der nützlichen / pathogenen Wirkungen durch mikrobielle Metaboliten (die von Darmbakterien aus Ernährungsfaktoren produziert werden) vermittelt werden. Die meisten mikrobiellen Metaboliten sind kleine Moleküle, deren zirkulierende Konzentrationen beim Menschen von mikromolar bis millimolar reichen. Bei diesen Konzentrationen zeigen sie oft schwere Toxizität oder antiproliferative Wirkungen auf verschiedene Zelltypen. Interessanterweise das Wirtssystembeschränkt oft nachteilige Aktivitäten von Metaboliten ein, obwohl sie in mikromolaren zirkulierenden Konzentrationen produziert wurden. Daher ist die Untersuchung der Mechanismen, die das Darmsystem des Wirts zur Verwendung dieser Metaboliten anwendet, von großem Interesse.

Eine aktuelle Studie von Kaiko et al. (2) dieses Problem wurde durch die Verwendung mehrerer In-vitro- und In-vivo-Modelle behoben. Die Gesamthypothese dieser Studie ist, dass die Krypta structuresprotect die Stamm- / Vorläuferzellen aus löslichen Mikrobiota abgeleiteten Signalen im Darmlumen. Zunächst testeten sie die antiproliferativen Wirkungen von 96 mikrobiellen Metaboliten auf sich schnell teilende Lgr5 + -Stamm- / Vorläuferzellen. Diese Zellen wurden durch Anreicherung von Kolonepithelzellen hergestellt, die aus Cdc25A-Click-Beetle-Red-Luciferase-Reporter-Mäusen isoliert wurden. Sie identifizierten den klassischen mikrobiellen Metaboliten Butyrat als einen prominenten Inhibitor der Proliferation von intestinalen Stamm- / Vorläuferzellen. Butyrat ist eine bakterielle stärkefermentierte diätetische kurzkettige Fettsäure und wird hauptsächlich von einigen grampositiven anaeroben Bakterien im Darm produziert. Die Konzentration Vonbutyrat kann bis zu einer millimolaren Konzentration im Darmlumen erreicht werden, d. H. ~ 5 mM bei Mäusen und ~ 70 mM beim Menschen. Die antiproliferativen Aktivitäten an Stamm- / Vorläuferzellen widersprechen den vorherigen Berichten, in denen Butyrat als nützlicher Metabolit gut etabliert war. Zum Beispiel Furusawa et al. (3) und Arpaia etal. (4) gezeigt, dass butyrat fördert die anti-entzündliche peripheren Regulator-zell generation. In diesen Studien berichteten sie vor allem, dass Butyrat die Histon-H3-Acetylierung der foxp3-Promoter-Region sowie die im intronischen Enhancer konservierten nicht-kodierenden Sequenz-1- (CNS1) und CNS2-Regionen hochregulierte. In einem ähnlichen Kontext zeigte Medzhitovs Gruppe, dass Butyrat die intestinale Makrophagenfunktion reguliert, indem es die Histondeacetylase (HDAC) hemmt und entzündungshemmende Aktivitäten von Butyrat aufbaut (5).

Kaiko et al. (2) begann mit der Hypothese, dass Krypta Strukturen protectthe Darmstamm / Vorläufer von Butyrat anti-proliferative Aktivität. Diese Gruppe vermutete, dass sich die Morphologie der Krypta nicht nur entwickelt hat, um die Nährstoffaufnahme zu verbessern, sondern um den Pool der Stamm- / Vorläuferzellen vor schädlichen Metaboliten zu schützen. Um den Nachweis des Konzepts zu erbringen, verwendeten sie ein Zebrafischmodell, dem die Krypta-Strukturen in seinem Darm fehlen. Wichtig ist, dass der Zebrafisch auch keine butyratproduzierenden Bakterien beherbergt. Die Exposition von Butyrat gegenüber Zebrafischen unterdrückte signifikant die Proliferation von Epithelzellen innerhalb der Darmwölbung. Diese Studien lieferten den Konzeptnachweis, dass Krypta-Strukturen möglicherweise entwickelt wurden, um die anti-proliferativen Aktivitäten von Butyrat (andere nachteilige Wirkungen mikrobieller Metaboliten) in höheren Organismen zu verhindern. Um die kritische schützende Rolle von Krypta in höheren Organismen anzugehen, haben sie zwei unabhängige Methoden verwendet, um Krypta-Strukturen in Mausmodellen zu eliminieren. Erstens haben sie Mäuse mit Dextran-Natriumsulfat (DSS) behandelt, bei dem die Integrität der Krypten zerstört wird, und zweitens haben sie die Darmschleimhaut mit einer Biopsiezange physisch verletzt, um 1 mm2 Fragmente der Dickdarmschleimhaut zu entfernen. In beiden Modellen beobachteten siesignifikante suppressive Wirkungen von exogenem Butyrat auf die Proliferation von epithelialen Stamm- / Vorläuferzellen in Krypten, die an begrenzte Bereiche angrenzen. Interessanterweise beobachteten sie, wenn sie die für die Butyratproduktion verantwortlichen Bakterien abbauten, eine verringerte Ulkusgröße bei mit SS behandelten Mäusen und konnten diesen Effekt umkehren, indem sie Butyrat- oder Fäkaltransplantate mit butyratproduzierenden Bakterien zur Verfügung stellten. Insgesamt haben Kaiko et al. gezeigt, dass Krypta-Strukturen verhindern, dass die Butyrat-anti-proliferative Aktivitäten auf colonicstem/progenitor-Zellen, die sich an der Basis der Krypten.

Kaiko et al. (2) gefragt, ob der Schutz auf Diffusion (von der Oberfläche bis zur Basis der Krypta) beruht oder Butyrat von Epithelzellen an der Spitze der Kryptastrukturen weiter metabolisiert wird. Um die metabolische Kapazität von Oberflächenkolonozyten (hochdifferenziert) zu untersuchen, entwickelten sie in vitro ein Zellkultursystem differenzierter Kolonozyten aus Kolonstammzellen. Diese Zellen verbrauchten etwa 30% Butyrat, wenn sie in Gegenwart von extern zugesetztem Butyrat gezüchtet wurden, und die Überstände reduzierten signifikant die antiproliferative Aktivität auf Stamm- / Vorläuferzellen, was darauf hindeutet, dass Kolonozyten das Butyrat tatsächlich zum Schutz von Stammzellen verwenden. Ferner zeigten sie, dass Butyrat, aber nicht andere SCFAs (Propionat, Acetat) von Kolonozyten (aber nicht von Stammzellen) als Substrat für die oxidative Phosphorylierung (OXPHOS) für ihre Energiequelle metabolisiert wird. Der Metabolismus von Butyrat durch Kolonozyten wurde in Mausmodellen unter Verwendung von Mäusen mit einem Mangel an Acyl-CoA-Dehydrogenasen (ACADs) untersucht. ACADs sind Schlüsselenzyme, die Butyrat in Acetyl-CoA umwandeln und in Kolonozyten stark exprimiert werden. ACADs- /-Mäuse zeigten im Vergleich zum Wildtyp eine verminderte Stamm- / Vorläuferzellproliferation. Exogene Exposition von Butyrat weiter reduziertstamm- / Vorläuferzellproliferation. Interessanterweise wurde bei der Behandlung von ACADs− /− Mäusen mit DSS eine signifikant verringerte Stammzellproliferation mit oder ohne Exposition von Butyrat beobachtet. Insgesamt zeigen diese Studien, dass die Butyratoxidation in Kolonozyten erforderlich war, um die Exposition von Stamm- / Vorläuferzellen gegenüber luminalem Butyrat zu begrenzen. Diese Ergebnisse zeigen, wie komplex sich Wirt und Mikrobiota entwickelt haben, um ihren Energiebedarf zu decken und gleichzeitig kritische Zellen zu schützen. Asdemonstrierte Kolonozyten exprimierten die butyratmetabolisierenden Enzyme im Vergleich zu anderen metabolischen Enzymen, die an der SCFAutilisation beteiligt sind und keine antiproliferativen Aktivitäten auf Stammzellen zeigen, stark. Die differenzierten Kolonozyten reduzieren die ausschließlichmetabolisiert für ihre Energiequelle und schützt gleichzeitig vor der Unterdrückung von Stammzellen.

In dieser Studie untersuchten die Autoren auch die Mechanismen, die für Butyrat-induzierte antiproliferative Aktivitäten auf Kolon-Stamm- / Vorläuferzellen verantwortlich sind. Sie stellten fest, dass Butyrat die HDAC-Aktivitäten signifikant hemmte, indem es die Acetylierung in Stamm- / Vorläuferzellen sowohl an den Histon-H3K27- als auch an den H3K9-Stellen erhöhte. Die HDAC-Inhibitoren (Trichostatin A) haben den Phänotyp umgekehrt, was darauf hindeutet, dass die antiproliferativen Aktivitäten von Butyrat durch HDACs vermittelt werden. Darüber hinaus untersuchten Sie, um zu identifizieren, die Transkriptionsfaktoren sind verantwortlich für seine Aktionen durch genomweite Chromatin-Immunpräzipitationssequenzierung (ChIP-seq) und Formaldehyd-unterstützte Isolierung von regulatorischen Elementen Sequenzierung (FAIRE-seq) von Butyrat-behandelten Dickdarm-Stammzellen/Vorläuferzellen. Sie konzentrierten sich auf die Transkriptionsfaktoren, die regulierenzellzyklus. Ihre Analyse ergab, dass Butyrat Foxo1- und Foxo3-Transkriptionsfaktoren als hoch vorhergesagte Kandidaten reguliert. Sie bestätigten diese Beobachtungen, indem sie pharmakologische und genetische Hemmung der Foxo1- und Foxo3-Aktivität nutzten, wo sie berichteten, dass die Aktivierung von Foxo3 für die antiproliferative Aktivität von Butyrat entscheidend ist. Zusammenfassend zeigten sie, dass Butyrat auf Stamm- / Vorläuferzellen wirkt, um Histone zu acetylieren, und eine Foxo3-abhängige Unterdrückung der Proliferation als negativer Zell-Cycleregulator induziert (Abbildung 1).

Die aktuelle Studie, während einige der grundlegenden Verständnis der Krypta biologischen Aktivitäten zu erklären wirft einige interestingquestions. Mehrere Studien berichteten über die vorteilhaften Wirkungen von Butyrat bei Patienten mit Colitis ulcerosa durch seine entzündungshemmenden Aktivitäten. Das Ausmaß der Schutzwirkung hängt jedoch möglicherweise vom Ausmaß der Schädigung der Krypten ab. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass das Vorhandensein von Butyrat im beschädigten Bereich der Kolonkrypta den Prozess der Kryptaregeneration verlangsamen wird, indem die Stammzellenpansion durch ihre antiproliferativen Aktivitäten verringert wird. Durch die Unterdrückung der sich schnell teilenden Stammzellen während der Schleimhautschädigung potentiellschützen Sie die Stammzellen vor nachteiligen Auswirkungen des direkten Kontakts mit genotoxischen Luminalinhalten. Es könnte postuliert werden, dass Wirt-Mikrobiotaentwickelte diese Systeme, um der Epithel- / Stammzelltransformation zu entkommen und das Risiko, an Krebs zu erkranken, zu verringern. Es ist wichtig für den Wirt, die Stamm- / Vorläuferzellen vor einer solchen Transformation zu schützen; daher entwickelten sie auf faszinierende Weise indigene Systeme, in denen sie sich mit Hilfe bakterieller Metaboliten selbst opfern (Unterdrückung der Stamm- / Vorläuferproliferation). Obwohl diese Metaboliten negative Auswirkungen auf kurzfristige Wundheilungsmechanismen haben können, können sie langfristig eine krebsartige Transformation von Stammzellen verhindern.

In der Tat, eine aktuelle Studie von Moeller et al. identifiziert, dass die menschliche Darmmikrobiota von alten Symbionten abstammt, die gleichzeitig mit Menschen und den afrikanischen Affen speziierten, indem die Kospeziation zwischen Hominiden und Darmmikrobiota getestet wurde. Insgesamt liefern diese Studien Hinweise darauf, wie Butyrat (Butyrat produzierende Bakterien) bei der Feinabstimmung von Darmsystemen geholfen hat, die das Konzept der Koevolution von Mikrobiota-Säugetieren unterstützen, um sich gegenseitig zu unterstützen Existenz.