Criptele colonice sunt portari naturali ai metaboliților microbieni pentru a proteja celulele stem | Jiotower

microbiota intestinală Co-evoluează cu gazdele lor de mamifere de peste 15 milioane de ani într-o relație simbiotică reciprocă. În timp ce mecanismele celulare și moleculare sunt în prezent necunoscute, ele se ridică la ocazie în adaptarea la cerințele celuilalt într-un mod afascinant. De exemplu, în timpul celui de-al treilea trimestru de sarcină, microbiota intestinală suferă o transformare completă pentru a produce mai multe grăsimiprin creșterea Proteobacteriilor și Actinobacteriilor pentru a susține copilul în creștere și mama însărcinată (1).Natura critică a microbiotei intestinale este acum foarte apreciată în dezvoltarea și menținerea sistemelor imune, neuronale, vasculare, precum și inmetabolice ale gazdei. Microbiota este considerată un organ special în evoluție la om. Mai mulți factori genetici și externiprecum mutații, inflamații, infecții, dietă, antibiotice sunt cunoscute pentru a afecta dinamica comunităților microbiene din intestinși joacă un rol critic în modularea atât a sistemului imunitar înnăscut, cât și a celui adaptiv. S-au făcut mai multe eforturi, iar altele sunt în prezent în curs de definire a interacțiunilor complexe microbiota-gazdă (bun vs.rău; cauză vs. consecință) folosind modele animale. Mai important, devine clar că utilizarea excesivă a antibioticelor în fiecare etapă a vieții umane ar fi putut contribui în mod extraordinar la creșterea tulburărilor metabolice la populațiile umane.

în timp ce microbii afectează în mod direct dezvoltarea sistemului imunitar, se crede că multe dintre efectele benefice/patogene sunt mediate de metaboliții microbieni (produși de bacteriile intestinale din factorii alimentari). Majoritatea metaboliților microbieni sunt molecule mici, iar concentrațiile circulante ale acestora la om variază de la concentrații micromolare la milimolare. La acesteaconcentrații, ele prezintă adesea toxicitate severă sau efecte anti-proliferative asupra diferitelor tipuri de celule. Interesant, sistemul gazdăadesea reduce activitățile adverse ale metaboliților, în ciuda faptului că au fost produse în concentrații micromolare circulante. Astfel, investigarea mecanismelor adoptate de sistemul intestinal gazdă pentru a utiliza acești metaboliți este de mare interes.

un studiu recent realizat de Kaiko și colab. (2) a abordat această problemă prin utilizarea mai multor modele in vitro și in vivo. Ipoteza generală a acestui studiu este că structurile criptelorprotejează celulele stem/progenitoare de semnalele solubile derivate din microbiota prezente în lumenul intestinal. În primul rând, au testat efectele anti-proliferative ale metaboliților microbieni 96 asupra divizării rapide a celulelor stem/progenitoare Lgr5+. Aceste celule au fost pregătite prin îmbogățirea celulelor epiteliale de colon izolate de la șoarecii reporter de luciferază roșie cu gândac Cdc25A. Ei au identificat metabolitul antimicrobian clasic, butiratul, ca un inhibitor proeminent al proliferării celulelor stem/progenitoare intestinale. Butiratul este un acid gras dietetic cu lanț scurt și este produs în principal de unele bacterii anaerobe Gram-pozitive din intestin. Concentrația de butirat poate fi atinsă până la concentrația milimolară în lumenul intestinal, adică ~5 mM la șoarece și ~70 mM la om. Activitățile anti-proliferative asupra celulelor stem / progenitoare contrazic rapoartele anterioare în care butiratul a fost bine stabilit ca metabolit abenefic. De exemplu, Furusawa și colab. (3) și Arpaia etal. (4) a demonstrat că butiratul promovează generarea de celule antiinflamatorii periferice. Cel mai important, în aceste studii, au raportat că butiratul a reglat în sus acetilarea histonei H3 a regiunii FoxP3promoter și, precum și la potențiator intronic conservat secvența necodificatoare 1 (CNS1) și regiunile CNS2. În context similar,grupul lui Medzhitov a demonstrat că butiratul reglează funcția macrofagelor intestinale prin inhibarea histonei deacetilazei (HDAC)stabilind activități antiinflamatorii ale butiratului (5).

Kaiko și colab. (2) a început cu ipoteza că structurile criptelor protejează tulpina/progenitorul intestinal de activitatea antiproliferativă a butiratului. Acest grup a suspectat că morfologia criptei a evoluat nu merelyto spori absorbția nutrienților, ci pentru a proteja grupul de celule stem/progenitoare de metaboliții nocivi. Pentru a oferi dovada conceptului, au folosit modelul zebrafish, care nu are structurile criptei din intestinul său. Important este că peștele zebră nu adăposteștebacterii producătoare de butirat. Expunerea butiratului la peștele zebră a suprimat semnificativ proliferarea celulelor epiteliale în interiorul umflăturii intestinale. Aceste studii au oferit dovada conceptului că structurile criptelor au evoluat potențial pentru a preveni activitățile anti-proliferative ale butiratului (alte efecte adverse ale metaboliților microbieni) în organismele superioare. Pentru a aborda rolul critic de protecție alcriptelor în organismele superioare, au utilizat două metode independente pentru a elimina structurile criptelor în modelele de șoarece. În primul rând, au fost tratați șoareci cu sulfat de sodiu dextran (DSS) în care integritatea criptelor este distrusă și, în al doilea rând, au rănit fiziccăptușeala intestinală cu forceps de biopsie pentru a îndepărta fragmente de 1 mm2 ale mucoasei colonului. În ambele modele, au observatefecte supresive semnificative ale butiratului exogen asupra proliferării celulelor stem/progenitoare epiteliale în criptele adiacente zonelor rănite. Interesant este că, atunci când au epuizat bacteriile responsabile de producția de butirat, au observat scăderea dimensiunii ulcerului la șoarecii tratați cu inDSS și ar putea inversa acest efect prin furnizarea de butirat sau transplant fecal care conține bacterii producătoare de butirat. În general, Kaiko și colab. a demonstrat că structurile criptelor împiedică activitățile anti-proliferative butirate asupra celulelor colonice / progenitoare care se află la baza criptelor.

în continuare, Kaiko și colab. (2) întrebat dacă protecția se bazează pe difuzie (ajungând de la suprafață la baza criptei) sau butiratul este metabolizat în continuare de celulele epiteliale din partea superioară a structurilor criptei. Pentru a examina capacitatea metabolică a colonocitelor de suprafață (foarte diferențiate), au dezvoltat in vitro sistem de culturi celulare de colonocite diferențiate din celulele stem colonice. Aceste celule au consumat în jur de 30% butirat, atunci când au fost cultivate în prezența butiratului adăugat extern și supernatanții au redus semnificativ activitatea anti-proliferativă asupra celulelor stem/progenitoare sugerând că colonocitele utilizează într-adevăr butiratul pentru a proteja celulele stem. Mai mult, au demonstrat că butiratul,dar nu și alte SCFA (propionat, acetat) este metabolizat de colonocite (dar nu de celule stem) ca substrat pentru fosforilarea oxidativă (OXPHOS) pentru sursa lor de energie. Metabolizarea butiratului de către colonocite a fost examinată pe modele de șoarece utilizând șoareci cu deficit de acil CoA dehidrogenaze(Acad). ACADs sunt enzime cheie care transformă butiratul în acetil-CoA și sunt foarte exprimate în colonocite. Acads – / – șoarecii au prezentat o proliferare scăzută a celulelor stem / progenitoare comparativ cu tipul sălbatic. Expunerea exogenă a butiratului a redus în continuareproliferarea celulelor stem / progenitoare. Interesant, atunci când acads−/− șoarecii sunt tratați cu DSS, au redus semnificativproliferarea celulelor stem cu sau fără expunere la butirat. În general, aceste studii evidențiază faptul că calea de oxidare a butiratului în colonocite a fost necesară pentru a limita expunerea celulelor stem/progenitoare la butiratul luminal. Aceste rezultate evidențiază modul în care gazda și microbiota co-evoluate în mod inerent pentru a-și umple complet cerințele energetice și pentru a proteja celulele critice în același timp. Acolonocitele demonstrate au exprimat foarte mult enzimele de metabolizare a butiratului în comparație cu alte enzime metabolice implicate în Scfautilizarea, care nu prezintă activități anti-proliferative asupra celulelor stem. Colonocitele diferențiate reduc exclusivmetabolizează pentru sursa lor de energie și, în același timp, protejează de suprimarea celulelor stem.

în acest studiu, autorii au investigat, de asemenea, mecanismele responsabile de activitățile anti-proliferative induse de butirat asupra celulelor colonice/progenitoare. Ei au identificat că butiratul a inhibat semnificativ activitățile HDAC prin creșterea acetilării în celulele stem / progenitoare atât la situsurile histonei H3K27, cât și la h3k9. Inhibitorii HDAC (trichostatina A) au inversat fenotipul sugerând că activitățile anti-proliferative ale butiratului sunt mediate prin HDACs. Mai mult, au explorat pentru a identifica factorii de transcripție responsabili de acțiunile sale prin secvențierea imunoprecipitării cromatinei la nivel de genom (ChIP-seq) și izolarea asistată de formaldehidă a elementelor de reglaresecvența (FAIRE-seq) a celulelor stem/progenitoare colonice tratate cu butirat. Ei s-au concentrat asupra factorilor de transcripție care reglementeazăciclul celular. Analiza lor a identificat că butiratul reglează factorii de transcripție Foxo1 și Foxo3 ca candidați foarte preziși. Ei au confirmat aceste observații prin utilizarea inhibării farmacologice și genetice a activității Foxo1 și Foxo3, unde raportează că activarea Foxo3 este critică pentru activitatea anti-proliferativă a butiratului. În rezumat, au demonstrat că butiratul acționează asupracelulele stem / progenitoare pentru a acetila histonele și induce o suprimare dependentă de Foxo3 a proliferării ca regulator negativ al ciclului celular (Figura 1).

studiul actual, în timp ce explică o parte din înțelegerea de bază a activităților biologice ale criptelor, ridică unele întrebări interesanteîntrebări. Mai multe studii au raportat efectele benefice ale butiratului la pacienții cu colită ulcerativă prin activitățile sale antiinflamatorii. Cu toate acestea, nivelul efectelor protectoare depinde potențial de gradul de deteriorare a criptelor. Rezultatele indică faptul că prezența butiratului în zona criptei colonului deteriorat va încetini în cele din urmă procesul de regenerare a criptei prin scăderea cellexpansiunii stem prin activitățile sale anti-proliferative. Prin suprimarea, celulele stem care se divid rapid în timpul deteriorării mucoasei potențialprotejează celulele stem de efectele adverse ale contactului direct cu conținutul luminal genotoxic. S-ar putea postula că microbiota gazdă a dezvoltat aceste sisteme pentru a scăpa de transformarea celulelor epiteliale/stem și pentru a reduce riscul de a dezvolta cancer. Este important pentrugazda pentru a proteja celulele stem / progenitoare de o astfel de transformare; prin urmare, ei au co-evoluat în mod intrigant sistemele indigene în care se sacrifică (suprimând proliferarea tulpinilor/progenitorilor) cu ajutorul metaboliților bacterieni. Deși acești metaboliți pot avea efecte negative asupra mecanismelor de vindecare a rănilor pe termen scurt, pe termen lung pot preveni o transformare canceroasă a celulelor stem.

într-adevăr, un studiu recent realizat de Moeller și colab. a identificat că microbiota intestinală umană a coborât din simbiotele antice care au speciat simultan cu oamenii și maimuțele africane prin testarea cospeciației dintre hominizi și microbiota intestinală. În general, aceste studii oferă indicii despre modul în care butiratul (bacteriile producătoare de butirat) a ajutat la reglarea fină a sistemelor intestinale care susțin conceptul de co-evoluție a microbiotei-mamifere pentru a se susține reciproc existența.