Kolonkrypter är naturliga gatekeepers av mikrobiella metaboliter för att skydda stamceller | Jiotower

tarmmikrobiota utvecklas tillsammans med sina däggdjursvärdar i över 15 miljoner år i ett ömsesidigt symbiotiskt förhållande. Medan decellulära och molekylära mekanismerna för närvarande är okända, stiger de till tillfället för att anpassa sig till varandras krav på ett fascinerande sätt. Till exempel, under graviditetens tredje trimester, genomgår tarmmikrobiota en komplett makeover för att producera mer fettgenom att öka Proteobakterier och aktinobakterier för att stödja det växande barnet och den gravida mamman (1).Den kritiska naturen hos tarmmikrobiota uppskattas nu mycket vid utveckling och underhåll av immun -, neurala, vaskulära såväl som inmetaboliska system hos värden. Mikrobiota betraktas som ett speciellt utvecklande organ inom människor. Flera genetiska och externa faktorersåsom mutationer, inflammation, infektioner, kost, antibiotika är kända för att påverka dynamiken i mikrobiella samhällen i tarmarnaoch spela en kritisk roll för att modulera både medfödda och adaptiva immunsystem. Flera ansträngningar har gjorts och andra är för närvarande underväg att definiera komplexa mikrobiota-värdinteraktioner (bra vs. dålig, orsak vs. konsekvens) med hjälp avdjurmodeller. Ännu viktigare är att det blir klart att överdriven användning av antibiotika i varje skede av människolivet kan ha bidragit enormt till de ökade metaboliska störningarna i mänskliga populationer.

medan mikrober direkt påverkar utvecklingen av immunsystemet, tros många av de fördelaktiga/patogena effekterna vara förmedlade av mikrobiella metaboliter (producerade av tarmbakterier från kostfaktorer). De flesta av de mikrobiella metaboliterna är små molekyleroch de cirkulerande koncentrationerna av dessa hos människor varierar från mikromolära till millimolära koncentrationer. Vid dessakoncentrationer uppvisar de ofta allvarlig toxicitet eller antiproliferativa effekter på olika celltyper. Intressant är värdsystemetbegränsar ofta negativa aktiviteter av metaboliter trots att de producerades i mikromolära cirkulerande koncentrationer. Således undersöker de mekanismer som antagits av värdtarmsystemet för att utnyttja dessa metaboliter är av stort intresse.

en ny studie av Kaiko et al. (2) behandlade denna fråga genom att använda flerain vitro och in vivo modeller. Den övergripande hypotesen för denna studie är att kryptstrukturernaskydda stam – / stamcellerna från lösliga mikrobiota-härledda signaler som finns i tarmlumen. Först testade de anti-proliferativa effekter av 96 mikrobiella metaboliter på snabbt delande Lgr5 + stam / progenitorceller. Dessa celler varberedda genom att berika kolon epitelceller isolerade från Cdc25A-click beetle red luciferase reporter möss. De identifierade den klassiskamikrobiell metabolit, butyrat, som en framträdande hämmare av proliferation av intestinala stamceller/progenitorceller. Butyrat är en bakteriell stärkelsejäst diet kortkedjig fettsyra och produceras huvudsakligen av vissa Gram-positiva anaeroba bakterier i tarmen. Koncentrationen avbutyrat kan nås upp till millimolär koncentration i tarmlumen, dvs ~5 mM i mus och ~70 mM hos människor. Deanti-proliferativa aktiviteter på stam / stamceller motsäger de tidigare rapporterna där butyrat har varit väl etablerat som enanvändbar metabolit. Till exempel Furusawa et al. (3) och Arpaia etal. (4) visat att butyrat främjar den antiinflammatoriska perifera regulatoryT-cellgenerering. Viktigast, i dessa studier rapporterade de att butyrat uppreglerade Histon H3-acetyleringen av FoxP3promoter-regionen och såväl som vid intronic enhancer konserverad icke-kodande sekvens 1 (CNS1) och CNS2-regioner. I liknande sammanhang visade medzhitovs grupp att butyrat reglerar tarmmakrofagfunktionen genom att hämma histondeacetylas (HDAC)som etablerar butyrat antiinflammatoriska aktiviteter (5).

Kaiko et al. (2) började med hypotesen att kryptstrukturer skyddartarmstammen/stamfadern från butyrat antiproliferativ aktivitet. Denna grupp misstänkte att morfologi av krypta utvecklades inte merelyför att förbättra näringsabsorptionen, men för att skydda poolen av stam/stamceller från skadliga metaboliter. För att ge bevis på konceptet använde de zebrafiskmodell, som saknar kryptstrukturerna i tarmen. Det är viktigt att zebrafisken inte hamnar ibutyratproducerande bakterier. Exponering av butyrat för zebrafisk undertryckte signifikant epitelcellsproliferationen inomintestinal utbuktning. Dessa studier gav bevis på konceptet att kryptstrukturer potentiellt utvecklades för att förhindra anti-proliferativa aktiviteter av butyrat (andra negativa effekter av mikrobiella metaboliter) i högre organismer. För att ta itu med den kritiska skyddande rollen hoskrypter i högre organismer har de använt två oberoende metoder för att eliminera kryptstrukturer i musmodeller. Först har debehandlade möss med dextran-natriumsulfat (DSS) där krypternas integritet förstörs och för det andra skadade de fysiskt tarmfoder med biopsipincett för att avlägsna 1 mm2 fragment av kolonslemhinnan. I båda modellerna observerades debetydande undertryckande effekter av exogent butyrat på proliferationen av epitelstamceller/stamceller i krypter intill avrundade områden. Intressant, när de utarmade bakterierna som var ansvariga för butyratproduktion, observerade de minskad sårstorlek inDSS-behandlade möss och kunde vända denna effekt genom att tillhandahålla butyrat eller fekal transplantation innehållande butyratproducerande bakterier. Övergripande, Kaiko et al. demonstrerade att kryptstrukturer förhindrar butyrat anti-proliferativa aktiviteter på colonicstem / progenitorceller som ligger vid basen av krypterna.

nästa, Kaiko et al. (2) frågade om skyddet är baserat på diffusion (når från ytan till basen av krypta) eller butyrat metaboliseras ytterligare av epitelceller högst upp i kryptstrukturer. För att undersöka den metaboliska kapaciteten hos ytkolonocyter (starkt differentierade) utvecklade de in vitro cellkultursystem av differentierade kolonocyter från kolonstamceller. Dessa celler konsumerade omkring 30% butyrat, när de odlades i närvaro avexternt tillsatt butyrat och supernatanterna reducerade signifikant den antiproliferativa aktiviteten på stam/progenitorceller som föreslårkolonocyter använder faktiskt butyrat för att skydda stamceller. Vidare visade de att butyrat,men inte andra SCFA (propionat, acetat) metaboliseras av kolonocyter (men inte av stamceller) som ett substrat för oxidativ fosforylering (OXFOS) för deras energikälla. Metabolismen av butyrat av kolocyter undersöktes i musmodeller med användning av möss som saknar acyl-CoA-dehydrogenaser (ACADs). Acad är viktiga enzymer som omvandlar butyrat till acetyl-CoA och uttrycks starkt i kolocyter. ACADs – / – möss visade minskad stam – / stamcellsproliferation jämfört med vildtyp. Exogen exponering av butyrat minskade vidarestam / progenitorcellsproliferation. Intressant, när ACADs−/− möss behandlas med DSS, signifikant minskadstamcellsproliferation med eller utan exponering av butyrat observerades. Sammantaget belyser dessa studier att butyratoxidationväg i kolocyter krävdes för att begränsa exponeringen av stam/stamceller för luminalbutyrat. Dessa resultat belyser hurintricately Co-evolved värd och mikrobiota för att fullt ut fylla sina energibehov och skydda kritiska celler samtidigt. Asdemonstrated colonocytes uttryckte starkt butyratmetaboliserande enzymer jämfört med andra metaboliska enzymer involverade i Scfautilisering, som inte visar antiproliferativa aktiviteter på stamceller. De differentierade kolonocyterna minskar exklusivtmetaboliserar för sin energikälla och skyddar samtidigt mot undertryckande av stamceller.

i denna studie undersökte författare också mekanismerna som är ansvariga för butyratinducerad antiproliferativ aktivitet på koloniststam/stamceller. De identifierade att butyrat signifikant hämmade HDAC-aktiviteter genom att öka acetylering i stam/stamceller vid både Histon H3K27 och H3K9-platserna. HDAC-hämmarna (trichostatin a) reverserade fenotypen som tyder på anti-proliferativa aktiviteter av butyrat medieras genom HDAC. Vidare utforskade de för att identifiera transkriptionsfaktorerna är ansvariga för dess åtgärder genom genombrett kromatin immunoprecipitation sekvensering (ChIP-seq) och formaldehydassisterad isolering av regulatoriska elementssekvensering (FAIRE-seq) av butyratbehandlade kolonstam/progenitorceller. De fokuserade på transkriptionsfaktorerna som reglerarcellcykel. Deras analys identifierade att butyrat reglerar foxo1 och Foxo3 transkriptionsfaktorer som högt förutsagda kandidater. De bekräftade dessa observationer genom att använda farmakologisk och genetisk hämning av foxo1-och Foxo3-aktivitet, där de rapporterar att aktivering av Foxo3 är kritisk för butyrat-antiproliferativ aktivitet. Sammanfattningsvis visade de att butyrat verkar påstam / stamceller för att acetylera histoner och inducerar en Foxo3-beroende undertryckning av proliferation som den negativa cellcykleregulatorn (Figur 1).

den aktuella studien samtidigt som man förklarar en del av den grundläggande förståelsen för kryptbiologiska aktiviteter väcker några intressantafrågor. Flera studier rapporterade de positiva effekterna av butyrat hos patienter med ulcerös kolit genom dess antiinflammatoriskaaktivitet. Nivån på skyddande effekter beror emellertid potentiellt på omfattningen av krypternas skador. Resultaten pekar på att förekomsten av butyrat vid det skadade kolonkryptområdet så småningom kommer att sakta ner processen för kryptregenerering genom att minska stamcellexpansion genom dess antiproliferativa aktiviteter. Genom att undertrycka, de snabbt delande stamcellerna under mukosal skada potentielltskydda stamcellerna från negativa effekter av direktkontakt med genotoxiskt luminalt innehåll. Det kunde postuleras att värd-mikrobiotautvecklade dessa system för att fly från epitel – /stamcellstransformation och minska risken för att utveckla cancer. Det är viktigt förvärd för att skydda stammen / stamcellerna från en sådan omvandling; därför utvecklade de intriguingly inhemska system därde offrar sig själva (undertryckande stam/stamfader proliferation) med hjälp av bakteriella metaboliter. Även om dessa metaboliter kanvisa negativa effekter på kortvariga sårläkningsmekanismer, kan de på lång sikt förhindra en canceromvandling av stamceller.

faktiskt en ny studie av Moeller et al. identifierade att mänsklig tarmmikrobiota härstammar från forntida symbiontersom specierade samtidigt med människor och de afrikanska aporna genom att testa cospeciationen mellan hominider och tarmmikrobiota. Sammantaget ger dessa studier ledtrådar hur butyrat (butyratproducerande bakterier) hjälpte till att finjustera tarmsystem som stöder konceptet co-evolution av mikrobiota-däggdjur för att stödja varandra existens.