Nutrient transporters control intestinal stem cell mitosis and host microbiome interactions

Abstract

Το έντερο, ως επιθηλιακός φραγμός, ενισχύει την πρώτη γραμμή άμυνας ενάντια στην εισβολή παθογόνων μικροοργανισμών και επιβλαβών παραγόντων που εισέρχονται στο σώμα μέσω της τροφής. Η ταχεία ανανέωση των κυττάρων είναι θεμελιώδους σημασίας για τη διατήρηση της εντερικής ομοιόστασης και της υγείας του οργανισμού. Το ανθρώπινο έντερο αποικίζεται από τρισεκατομμύρια συμβιωτικών μικροοργανισμών με κεντρικούς ρόλους στην ανθρώπινη φυσιολογία. Αναδυόμενα επιστημονικά στοιχεία υποδεικνύουν ότι μεταβολές της υγειούς σύνθεσης του μικροβιώματος, γνωστή ως δυσβίωση των συμβιωτικών μικροοργανισμών, από παράγοντες όπως η διατροφή, καθιστούν το έντερο ευάλωτο σε οξείες και χρόνιες λοιμώξεις που μπορούν να προκαλέσουν εντερική φλεγμονή. Η φλεγμονή και η καρκινογένεση είναι άρρηκτα συνδεδεμένες και πρόσφατες μελέτες έχουν δείξει ότι η μόλυνση μπορεί να οδηγήσει σε καρκίνο σε άτομα με προδιάθεση για ογκογονικές μεταλλάξεις. Στην εν λόγω μελέτη, αποκαλύπτεται ότι δυσβίωση μπορεί να προκύψει, επίσης, από ελαττωματικό μεταβολισμό στα εντερικά βλαστοκύτταρα και ότι θρεπτικές ουσίες που προέρχονται από το μικροβίωμα μπορούν να ρυθμίσουν άμεσα τη λειτουργία των εντερικών βλαστοκυττάρων και τις ασθένειες που σχετίζονται με αυτήν. Συγκεκριμένα, τα αποτελέσματά μας δείχνουν ότι ο μεταφορέας της βιοτίνης Smvt της Drosophila είναι απαραίτητος στα εντερικά βλαστοκύτταρα για την μίτωση τους, η οποία ρυθμίζεται μέσω του μονοπατιού Jak/Stat. Η κυτταροειδική αποσιώπηση του Smvt στα εντερικά βλαστοκύτταρα είναι επιβλαβής για τη διατήρηση του εντερικού επιθηλίου, αλλά μπορεί να διασωθεί μερικώς από την έκφραση τόσο του ίδιου του Smvt, όσο και του ανθρώπινου ομόλογου του Smvt, το οποίο κωδικοποιείται από το γονίδιο SLC5A6. Η μειωμένη μίτωση των βλαστικών κυττάρων αντισταθμίζεται από αυξημένο ενδοπολλαπλασιασμό των εντεροκυττάρων για τη διατήρηση της ακεραιότητας του ιστού. Μύγες που δεν εκφράζουν Smvt εμφανίζουν μικροβιακή δυσβίωση, όπου η ανάπτυξη ενός ευκαιριακού παθογόνου, της Providencia sneebia, ευνοείται. Η δυσβίωση συσχετίζεται με αυξημένη έκφραση του γονιδίου Nox, και αύξηση των ενεργών ριζών οξυγόνου (ROS) και της απόπτωσης των εντεροκυττάρων. Οι μύγες εξασφαλίζουν τη βιοτίνη από τη διατροφή τους και το μικροβίωμα. Τα πειράματά μας έδειξαν ότι όταν η διατροφική βιοτίνη είναι ανεπαρκής, μειώνονται οι μιτώσεις των βλαστοκυττάρων. Στην περίπτωση αυτή, συμβιωτικοί μικροοργανισμοί που παράγουν βιοτίνη, π.χ. το E. coli, μπορούν να επαναφέρουν τις μιτώσεις των εντερικών βλαστοκυττάρων. Πέραν του Smvt, ταυτοποιήσαμε επίσης τον μεταφορέα στερολών Npc2c και τον μεταφορέα ιόντων CG16727 ως ρυθμιστές της ομοιόστασης του εντέρου και της επαγόμενης από λοίμωξη αναγέννησης στη Drosophila. Μύγες με ανεπάρκεια Npc2c και CG16727 εμφανίζουν μειωμένη αναγέννηση και έλλειψη φυσιολογικής ισορροπίας μεταξύ των εντερικών βλαστοκυττάρων και των διαφοροποιημένων κυττάρων, τόσο σε φυσιολογικές συνθήκες, όσο και σε συνθήκες παθογόνου λοίμωξης. Όπως και στην περίπτωση του Smvt, κυτταροειδική αποσιώπηση των δύο μεταφορέων στα εντερικά βλαστοκύτταρα οδηγεί σε μειωμένη μίτωση, που επίσης αντισταθμίζεται μερικώς από αυξημένο ενδοπολλαπλασιασμό στα εντεροκύτταρα. Ανάλυση της γονιδιακής έκφρασης γνωστών ρυθμιστών των εντερικών βλαστοκυττάρων, υπέδειξε ότι ο συνδέτης του Jak/Stat μονοπατιού, upd1, και ο καθοδικός τελεστής Socs36E, μειώνονται κατά την αποσιώπηση των μεταφορέων. Είναι ενδιαφέρον ότι μύγες με ανεπάρκεια του Npc2c στα εντερικά βλαστοκύτταρα παρουσιάζουν αυξημένη συσσώρευση στερολών στο έντερο σε σύγκριση με υγιείς μύγες, υποδεικνύοντας μειωμένη διακίνηση στερολών. Δεδομένου ότι η διαθεσιμότητα θρεπτικών ουσιών είναι ένας κρίσιμος διαμορφωτής του εντερικού μικροβιώματος και της μεταβολικής ομοιόστασης του ξενιστή, μύγες με ανεπάρκεια Npc2c εμφανίζουν μικροβιακή δυσβίωση με μεταβολές στη σύνθεση και την αφθονία των εντερικών μικροβίων. Επιπλέον, τα πειράματα μας έδειξαν ότι οι τρεις μεταφορείς θρεπτικών Smvt, Npc2c και CG16727, αλλά και οι συμβιωτικοί μικροοργανισμοί ελέγχουν την ανάπτυξη όγκων στο έντερο. Συνολικά, η εργασία μας υπογραμμίζει τη σημασία της αλληλεπίδρασης μεταξύ θρεπτικών ουσιών, εντερικών μικροβίων και της ομοιόστασης του ιστού, η οποία, όταν απορρυθμίζεται, μπορεί να οδηγήσει σε ασθένειες.

The intestine, as a barrier epithelium, serves in the first line of defence against invading pathogens and damaging agents that enter the body via food ingestion. Rapid cell turnover is important for maintaining intestinal homeostasis and organismal health. The human intestine is colonised by trillions of commensal microorganisms with central roles in human physiology. Emerging evidence suggests that alterations in healthy microbiota composition, known as commensal dysbiosis, by factors such as diet, make the intestine susceptible to acute and chronic infection that can elicit intestinal inflammation. Inflammation and carcinogenesis are intimately connected and recent studies have shown that infection can lead to cancer in individuals predisposed by oncogenic mutations. Here, we show that dysbiosis can also result from impaired intestinal stem cell (ISC) metabolism and that microbiome-derived nutrients can directly regulate ISC function and ISC-related diseases. Specifically, we found that the Drosophila intestinal ISC-specific biotin transporter Smvt is necessary for Jak/Stat pathway-mediated ISC mitosis. ISC-specific Smvt silencing impairs intestinal maintenance, which can be partially-rescued by the Drosophila Smvt and the human Smvt, encoded by SLC5A6. Impaired mitosis is compensated by increased enterocyte (EC) endoreplication to maintain tissue integrity. Smvt- deficient flies exhibit microbial dysbiosis, whereby the growth of Providencia sneebia, an opportunistic pathogen, is favored. Dysbiosis correlates with increased Nox expression, ROS and EC apoptosis. Flies acquire biotin from their diet and microbiota. We found that when dietary biotin is scarce, biotin-producing commensals, e.g. E. coli, can rescue reduced ISC mitosis. In addition to Smvt, we have also identified the sterol transporter, Npc2c, and the ion transporter, CG16727, as regulators of intestinal homeostasis and infection-induced regeneration in Drosophila. Npc2c- and CG16727-deficient flies exhibit impaired regeneration and abnormal ISC/differentiated cell balance both in physiological conditions, as well as upon pathogenic infection. Similar to Smvt, ISC-specific knockdown of the two transporters leads to reduced mitosis, which is also partially compensated by increased EC endoreplication. Gene expression analysis of known ISC regulators, revealed that the Jak/Stat ligand upd1 and downstream effector Socs36E are reduced upon transporter knockdown. Interestingly, ISC-specific Npc2c-deficient flies exhibit increased intestinal sterol accumulation compared to healthy flies, indicating impaired sterol trafficking. Since nutrient availability is a critical modulator of intestinal microbiota and host metabolic homeostasis, the Npc2c-deficient flies exhibit microbial dysbiosis with alterations in the composition and abundance of intestinal microbiota. Importantly, all three transporters and commensals also control intestinal tumor growth. Overall, our work highlights the importance in the interplay between nutrients, intestinal microbiota and tissue homeostasis, which, when deregulated, can lead to disease.