Criptas colónicas são porteiros naturais de metabolitos microbianos para proteger as células estaminais | Jiotower

microbiota intestinal está em co-evolução com os seus hospedeiros mamífero há mais de 15 milhões de anos numa relação simbiótica mútua. Embora os mecanismos celulares e moleculares sejam atualmente desconhecidos, eles se adaptam às necessidades uns dos outros de forma ascendente. Por exemplo, durante o terceiro trimestre de gravidez, a microbiota intestinal passa por uma reforma completa para produzir mais gordura por aumento de proteobactérias e Actinobactérias para sustentar o bebê em crescimento e a mãe grávida (1).A natureza crítica do microbiota intestinal é agora altamente apreciada no desenvolvimento e manutenção de sistemas imunes, neurais, vasculares e inmetabólicos do hospedeiro. A Microbiota é considerada um órgão em evolução especial no ser humano. Vários fatores genéticos e externos, como mutações, inflamação, infecções, dieta, antibióticos, são conhecidos por afetar a dinâmica das comunidades microbianas no intestino e desempenhar um papel crítico na modulação de sistemas imunológicos inatos e adaptativos. Foram envidados vários esforços e outros estão actualmente em curso para definir interacções complexas entre microbiota e hospedeiro (bom contra Mau; causa contra consequência) utilizando modelos animais. Mais importante ainda, está a tornar-se claro que o uso excessivo de antibióticos em todas as fases da vida humana pode ter contribuído decisivamente para o aumento das perturbações metabólicas nas populações humanas.Embora os micróbios afectem directamente o desenvolvimento do sistema imunitário, acredita-se que muitos dos efeitos benéficos/patogénicos sejam debitados por metabolitos microbianos (produzidos por bactérias intestinais a partir de factores dietéticos). A maioria dos metabolitos microbianos tem uma estrutura molecular pequena e as concentrações destes em circulação no ser humano variam entre as concentrações micromolares e milimolares. Nestas concentrações, apresentam frequentemente toxicidade grave ou efeitos anti-proliferativos em vários tipos de células. Curiosamente, o sistema hospedeiro restringe actividades adversas de metabolitos, apesar de terem sido produzidos em concentrações micromolares circulantes. Assim, investigar os mecanismos adotados pelo sistema intestinal hospedeiro para utilizar estes metabolitos é de grande interesse.

um estudo recente de Kaiko et al. (2) abordou esta questão utilizando modelos de severalin vitro e in vivo. A hipótese geral deste estudo é que a estrutura críptorrespeite as células-tronco/progenitoras a partir de sinais solúveis derivados de microbiota presentes no lúmen intestinal. Em primeiro lugar, testaram os efeitos anti-proliferativos de 96 metabolitos microbianos nas células estaminais/progenitoras de Lgr5+ em divisão rápida. Estas células foram preparadas enriquecendo as células epiteliais do cólon isoladas a partir de ratos da luciferase vermelha do caroc25a. Identificaram o metabolito classicmicrobial, o butirato, como um inibidor proeminente da proliferação intestinal de células estaminais/progenitoras. O butirato é um ácido graxo dietético de cadeia curta bacteriano fermentado e é principalmente produzido por algumas bactérias anaeróbias Gram-positivas no intestino. A concentração de butirato pode ser alcançada até a concentração milimolar no lúmen intestinal, ou seja, ~5 mM em ratinho e ~70 mM em humanos. As actividades anti-proliferativas em células estaminais / progenitoras contradizem os relatórios anteriores em que o butirato foi bem estabelecido como metabolito abenefficial. Por exemplo, Furusawa et al. (3) e Arpaia etal. (4) demonstrou que o butirato promove a geração de células regulatorítmicas periféricas anti-inflamatórias. Mais importante, nestes estudos, eles relataram que o butirato aumentou a acetilação histona H3 da região do FoxP3promoter e, bem como na sequência não-codificação conservada intronic enhancer 1 (CNS1) e regiões do CNS2. Num contexto semelhante, o grupo de Medzhitov demonstrou que o butirato regula a função dos macrófagos intestinais inibindo a histona deacetilase (HDAC), estabelecendo actividades anti-inflamatórias de butirato (5).

Kaiko et al. (2) começou com a hipótese de que as estruturas criptográficas protegem o tronco intestinal/progenitor da actividade anti-proliferativa do butirato. Este grupo suspeitava que a morfologia da cripta evoluiu não apenas para melhorar a absorção de nutrientes, mas para proteger o conjunto de células-tronco/progenitoras de metabolitos prejudiciais. Para fornecer a prova do conceito, eles utilizaram o modelo zebrafish, que não possui as estruturas crípticas em seu intestino. Importante, os peixes-zebra também não abrigam bactérias produtoras de butirato. A exposição do butirato a zebrafish suprimiu significativamente a proliferação de células epiteliais no interior do volume gastrintestinal. Estes estudos demonstraram que as estruturas crípticas evoluíram potencialmente para prevenir as actividades anti-proliferativas do butirato (outros efeitos adversos dos metabolitos microbianos) em organismos superiores. Para abordar o papel protetor crítico de criptografia em organismos superiores, eles utilizaram dois métodos independentes para eliminar estruturas de criptografia em modelos de mouse. Em primeiro lugar, trataram ratos com sulfato de sódio dextrano (DSS) em que a integridade das criptas é destruída e, em segundo lugar, feriu fisicamente o revestimento gastrintestinal com fórceps de biopsia para remover 1 mm2 fragmentos da mucosa cólon. Em ambos os modelos, observavam efeitos supressivos significativos do butirato exógeno na proliferação de células estaminais/progenitoras epiteliais em criptas adjacentes a áreas fundadas. Curiosamente, quando esgotaram as bactérias responsáveis pela produção de butirato, observaram uma diminuição do tamanho da úlcera em ratinhos tratados com inDSS e poderiam reverter este efeito fornecendo bactérias produtoras de butirato ou fecal. No geral, Kaiko et al. demonstrou que as estruturas crípticas impedem as actividades anti-proliferativas butiradas nas células progenitoras/colonicstem que residem na base das criptas.

Next, Kaiko et al. (2) perguntado se a proteção é baseada na difusão (alcançando da superfície à base da cripta) ou butirato é ainda metabolizado por células epiteliais no topo das estruturas da cripta. Toexamina a capacidade metabólica dos colonócitos de superfície (altamente diferenciados), eles desenvolveram culturesistema celular in vitro de colonócitos diferenciados a partir de células estaminais colónicas. Estas células consumidos cerca de 30% de butirato, quando cultivadas na presença ofexternally adicionado butirato e o sobrenadante reduziu significativamente o anti-proliferativa atividade no tronco/progenitoras células suggestingcolonocytes, de fato, utilizar o butirato para proteger as células-tronco. Além disso, eles demonstraram que o butirato,mas não Outros SCFAs (propionato, acetato) é metabolizado por colonócitos (mas não por células estaminais) como um substrato para fosforilação oxidativa (OXFOS) para sua fonte de energia. O metabolismo do butirato pelos colonócitos foi examinado em modelos de ratinhos utilizando ratinhos com deficiência em acil CoA desidrogenases(ACADs). ACADs são enzimas chave que convertem butirato em acetil-CoA e são altamente expressas em colonócitos. Em comparação com o tipo selvagem, a proliferação de células estaminais/progenitoras diminuiu. A exposição exógena do butirato reduziu ainda mais a proliferação celular de células progenitoras e de células progenitoras. Curiosamente, quando os ACADs−/− ratinhos são tratados com DSS, observou-se proliferação de células do STEM significativamente reduzida com ou sem exposição ao butirato. De um modo geral, estes estudos sublinham que a via oxidativa do butirato nos colonócitos era necessária para limitar a exposição das células estaminais/progenitoras ao butirato luminal. Estes resultados destacam como o hospedeiro e o microbiota evoluíram intimamente para preencher os seus requisitos energéticos e proteger as células críticas ao mesmo tempo. Os colonócitos desdemonstrados expressaram fortemente as enzimas metabolizadoras do butirato em comparação com outras enzimas metabólicas envolvidas na Scfautilização, que não mostram actividades anti-proliferativas nas células estaminais. Os colonócitos diferenciados reduzem os exclusivelimetabolizes para a sua fonte de energia e, ao mesmo tempo, protegem da supressão de células estaminais.

neste estudo, os autores também investigaram os mecanismos responsáveis pelas actividades anti-proliferativas induzidas pelo butirato em células colonicstem/progenitoras. Eles identificaram que o butirato inibiu significativamente as atividades do HDAC aumentando a acetilação nas células estaminais/progenitoras tanto nos locais de histona H3K27 quanto H3K9. Os inibidores da HDAC (trichostatina a) inverteram o fenótipo sugerindo que as actividades anti-proliferativas do butirato são mediadas através de HDAC. Além disso, eles exploraram para identificar os fatores de transcrição são responsáveis por suas ações através da sequenciação de imunoprecipitação cromatina em todo o genoma (ChIP-seq) e isolamento de elementos regulatórios assistidos pelo formaldeído (FAIRE-seq) de células estaminais/progenitoras colônicas tratadas com butirato. Focaram-se nos factores de transcrição que regulatecell-cycle. Sua análise identificou que butyrate regula os fatores de transcrição Foxo1 e Foxo3 como candidatos altamente previstos. Confirmaram estas observações utilizando a inibição farmacológica e genética da actividade Foxo1 e Foxo3, onde relatam que a actividade da Foxo3 é fundamental para a actividade anti-proliferativa butirada. Em resumo, eles demonstraram que o butirato Age onstem/células progenitoras para acetilar histonas e induz uma supressão da proliferação dependente de Foxo3 como o negativo cicleregulador celular (Figura 1).

o estudo actual, ao explicar alguns dos conhecimentos básicos das actividades biológicas crypt, suscita algumas questões interessantes. Vários estudos relataram os efeitos benéficos do butirato em doentes com colite ulcerosa através das suas actividades anti-inflamatórias. No entanto, o nível de efeitos protectores depende potencialmente da extensão dos danos das criptas. Os resultados apontam para que a presença de butirato na cripta colônica danificada, eventualmente, irá abrandar o processo de regeneração críptica, diminuindo a cellexpansion de caule através de suas atividades anti-proliferativas. Ao suprimir, as células estaminais que se dividem rapidamente durante a lesão das mucosas podem proteger as células estaminais dos efeitos adversos do contacto directo com o conteúdo genotóxico do luminal. Pode postular-se que o microbiotadesenvolveu estes sistemas para escapar da transformação epitelial/das células estaminais e reduzir o risco de desenvolver cancro. É importante para o hospedeiro proteger as células estaminais / progenitoras de tal transformação.; por conseguinte, Co-evoluíram de forma intrigante sistemas indígenas onde se sacrificam (suprimindo a proliferação de células estaminais / progenitoras) com a ajuda de metabolitos bacterianos. Embora estes metabolitos possam ter efeitos negativos nos mecanismos de cicatrização de feridas a curto prazo, a longo prazo podem impedir uma transformação cancerosa de caules.

de facto, um estudo recente de Moeller et al. identificou que a microbiota intestinal humana descendia de antigos simbiontes que se especializavam simultaneamente com os humanos e os macacos africanos testando a cospeciação entre hominídeos e microbiota intestinal. De um modo geral, estes estudos fornecem pistas de como as bactérias produtoras de butirato ajudaram a afinar os sistemas intestinais apoiando o conceito de co-evolução dos microbiota-mammalianos para suportar a existência uns dos outros.