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The human gastrointestinal tract is in constant contact with microbial stimuli. Its barriers have to ensure co-existence with the commensal bacteria, while enabling surveillance of intruding pathogens. At the centre of the interaction lies the epithelial layer, which marks the boundaries of the body. It is equipped with a multitude of different innate immune sensors, such as Toll-like receptors, to mount inflammatory responses to microbes. Dysfunction of this intricate system results in inflammation-associated pathologies, such as inflammatory bowel disease. However, the complexity of the cellular interactions, their molecular basis and their development remains poorly understood. In recent years, stem cell-derived organoids have gained increasing attention as promising models for both development and a broad range of pathologies, including infectious diseases. In addition, organoids enable the study of epithelial innate immunity in vitro. In this review, we focus on the gastrointestinal epithelial barrier and its regional organization to discuss innate immune sensing and development.
The gastrointestinal tract is abundantly colonized by microbes, yet the translocation of oral species to the intestine is considered a rare aberrant event, and a hallmark of disease. By studying salivary and fecal microbial strain populations of 310 species in 470 individuals from five countries, we found that transmission to, and subsequent colonization of, the large intestine by oral microbes is common and extensive among healthy individuals. We found evidence for a vast majority of oral species to be transferable, with increased levels of transmission in colorectal cancer and rheumatoid arthritis patients and, more generally, for species described as opportunistic pathogens. This establishes the oral cavity as an endogenous reservoir for gut microbial strains, and oral-fecal transmission as an important process that shapes the gastrointestinal microbiome in health and disease.
The yeast form of the fungus Candida albicans promotes persistence in the gut of gnotobiotic mice
(2017)
Many microorganisms that cause systemic, life-threatening infections in humans reside as harmless commensals in our digestive tract. Yet little is known about the biology of these microbes in the gut. Here, we visualize the interface between the human commensal and pathogenic fungus Candida albicans and the intestine of mice, a surrogate host. Because the indigenous mouse microbiota restricts C. albicans settlement, we compared the patterns of colonization in the gut of germ free and antibiotic-treated conventionally raised mice. In contrast to the heterogeneous morphologies found in the latter, we establish that in germ free animals the fungus almost uniformly adopts the yeast cell form, a proxy of its commensal state. By screening a collection of C. albicans transcription regulator deletion mutants in gnotobiotic mice, we identify several genes previously unknown to contribute to in vivo fitness. We investigate three of these regulators—ZCF8, ZFU2 and TRY4—and show that indeed they favor the yeast form over other morphologies. Consistent with this finding, we demonstrate that genetically inducing non-yeast cell morphologies is detrimental to the fitness of C. albicans in the gut. Furthermore, the identified regulators promote adherence of the fungus to a surface covered with mucin and to mucus-producing intestinal epithelial cells. In agreement with this result, histology sections indicate that C. albicans dwells in the murine gut in close proximity to the mucus layer. Thus, our findings reveal a set of regulators that endows C. albicans with the ability to endure in the intestine through multiple mechanisms.
Background
Enteric glial cells (EGCs) are the main constituent of the enteric nervous system and share similarities with astrocytes from the central nervous system including their reactivity to an inflammatory microenvironment. Previous studies on EGC pathophysiology have specifically focused on mucosal glia activation and its contribution to mucosal inflammatory processes observed in the gut of inflammatory bowel disease (IBD) patients. In contrast knowledge is scarce on intestinal inflammation not locally restricted to the mucosa but systemically affecting the intestine and its effect on the overall EGC network.
Methods and Results
In this study, we analyzed the biological effects of a systemic LPS-induced hyperinflammatory insult on overall EGCs in a rat model in vivo, mimicking the clinical situation of systemic inflammation response syndrome (SIRS). Tissues from small and large intestine were removed 4 hours after systemic LPS-injection and analyzed on transcript and protein level. Laser capture microdissection was performed to study plexus-specific gene expression alterations. Upon systemic LPS-injection in vivo we observed a rapid and dramatic activation of Glial Fibrillary Acidic Protein (GFAP)-expressing glia on mRNA level, locally restricted to the myenteric plexus. To study the specific role of the GFAP subpopulation, we established flow cytometry-purified primary glial cell cultures from GFAP promotor-driven EGFP reporter mice. After LPS stimulation, we analyzed cytokine secretion and global gene expression profiles, which were finally implemented in a bioinformatic comparative transcriptome analysis. Enriched GFAP+ glial cells cultured as gliospheres secreted increased levels of prominent inflammatory cytokines upon LPS stimulation. Additionally, a shift in myenteric glial gene expression profile was induced that predominantly affected genes associated with immune response.
Conclusion and Significance
Our findings identify the myenteric GFAP-expressing glial subpopulation as particularly susceptible and responsive to acute systemic inflammation of the gut wall and complement knowledge on glial involvement in mucosal inflammation of the intestine.
Background
Epithelial surfaces such as the gastrointestinal mucosa depend on expression of antimicrobial peptides like cathelicidin for immune defence against pathogens. The mechanisms behind mucosal cathelicidin regulation are incompletely understood.
Methods
Cathelicidin expression was analysed in duodenal, antral and corpus/fundic mucosal biopsies from African and German patients. Additionally, cathelicidin expression was correlated with Helicobacter pylori (HP) infection and the inflammatory status of the mucosa.
Results
High cathelicidin transcript abundance was detected in duodenal biopsies from African subjects. On the contrary, cathelicidin mRNA expression was either undetectable or very low in tissue specimens from German patients. Also, in the antrum and corpus/fundus regions of the stomach significantly higher cathelicidin transcript levels were measured in Tanzanian compared to German patients. In gastric biopsies from African patients cathelicidin expression was increased in HP positive compared to HP negative subjects. Additionally, the inflammatory status measured by IL-8 expression correlated well with the HP infection status.
Conclusions
A higher duodenal and gastric cathelicidin expression in African (compared with European) individuals may be due to upregulation by antigenic stimulation and may confer a higher resistance against enteric infections.
Untersuchung zur NO/cGMP-Signaltransduktion in der glatten Muskulatur von NO-GC-defizienten Mäusen
(2013)
Die Stickstoffmonoxid (NO)/cGMP-Signaltransduktion besitzt eine entscheidende Rolle bei der Tonusregulation der glatten Muskulatur. Dabei ist NO neben seiner herausragenden Bedeutung für das vaskuläre System einer der wichtigsten inhibitorischen Neurotransmitter im Gastrointestinaltrakt. Die Wirkung von NO beruht hauptsächlich auf der Aktivierung der NO-sensitiven Guanylyl-Cyclase (NO-GC), die aus zwei Untereinheiten aufgebaut ist (α und ß). Die Deletion der ß1-Untereinheit in Mäusen resultiert in einem vollständigen NO-GC-Knockout (GCKO). Im Gastrointestinaltrakt ist die Expression von NO-GC in glatten Muskelzellen (SMC), interstitiellen Zellen von Cajal (ICC) und Fibroblasten-ähnlichen Zellen (FLC) nachgewiesen. In dieser Arbeit wurde die Bedeutung des NO/cGMP-Signalweges für die Regulation von Kontraktion und Relaxation innerhalb dieser drei Zelltypen anhand von zellspezifischen GCKO-Tieren untersucht. SMC- und ICC-spezifische GCKO-Tiere waren bereits vorhanden. FLC-spezifische GCKO-Tiere wurden generiert und mit den vorhandenen ICC- und SMC-GCKO-Linien gekreuzt, um Doppel- und Tripel-Knockout-Tiere zu erhalten. FLC-GCKO-Tiere zeigen eine NO-induzierte Relaxation glattmuskulären Gewebes, die der von WT-Tieren gleicht. Auch Gewebe von FLC/ICC- und FLC/SM-GCKO-Tieren kann durch NO relaxiert werden. Erst die Deletion der NO-GC in allen drei Zelltypen (Tripel-GCKO) führt zu einer Unterbrechung der NO-Relaxation, wie sie aus GCKO-Tieren bekannt ist. Überraschenderweise zeigt sich bei FLC-GCKO-Tieren eine beschleunigte Darmpassagezeit. Die Ergebnisse dieser Arbeit lassen darauf schließen, dass die NO-GC in allen drei Zelltypen des Gastrointestinaltrakts an der nitrergen Signaltransduktion beteiligt ist, wenn auch auf unterschiedliche Weise. Es besteht demnach eine Interaktion zwischen den verschiedenen Zelltypen, die durch weiterführende Versuche mit den vorhandenen Doppel-Knockout-Tieren sowie der Tripel-GCKO-Linie nähergehend untersucht werden muss. Der zweite Teil der Arbeit beschäftigte sich mit der Rolle der NO-GC im unteren Harntrakt. Dort liegt die NO-GC in verschieden Zelltypen vor. In Urethra-Gewebe wird die NO-GC ausschließlich in SMC exprimiert, während sie in der Harnblase einzig in interstitiellen Zellen, nicht aber in SMC, befindet. Funktionell hat dies zur Folge, dass die NO-induzierte Urethra-Relaxation ausschließlich von glatten Muskelzellen vermittelt wird. Die Harnblasenmuskulatur hingegen zeigt keine Relaxation auf NO-Gabe hin. Die Identifizierung der NO-GC-exprimierenden interstitiellen Zellen sowie ihre Funktion sind bislang ungeklärt. In einem dritten Projekt wurden Untersuchungen zur Effektivität der NO-GC-Inhibitoren ODQ und NS2028 durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass bei einem Einsatz der Inhibitoren nicht von einer vollständigen Hemmung der NO-GC ausgegangen werden sollte. Drei Faktoren beeinflussen nachhaltig die Inhibitor-Effektivität: (1) die Klasse des NO-Donors, (2) die Inkubationszeit mit dem Inhibitor und dem NO-Donor sowie (3) die Stärke der Vorkontraktion bei Versuchen mit Glattmuskelgewebe. Die Wahl dieser Parameter bestimmt, in welchem Ausmaß ODQ und NS2028 die NO-stimulierte NO GC inhibieren können. Aus diesem Projektteil resultiert, dass man den Einsatz dieser Inhibitoren nicht, wie vielfach in der Literatur vorzufinden, als Beweis für cGMP unabhängige Effekte nutzen sollte.
Von den bisher entdeckten Selenoproteinen im Organismus von Eu- und Prokaryonten sind nur wenige Proteine hinsichtlich ihrer biologischen Funktion weitgehend analysiert. Mit zunehmenden Erkenntnisgewinn über Funktion und Regulation einzelner Selenoproteine kristallisiert sich eine Gewebsspezifität heraus. Über die Genexpression von Selenoproteinen im Gastrointestinaltrakt des Menschen gibt es nur wenige Daten. Da für die kontinuierliche nutritive Selensupplementation ein eindrucksvoller präventiver Effekt auf die Inzidenz kolorektaler Karzinome nachgewiesen wurde, erscheint der Gastrointestinaltrakt als wichtiges Zielorgan für Selen und Selenoproteine. In der vorliegenden Arbeit wurden molekularbiologische und proteinbiochemische Untersuchungen zur Genexpression und Funktion einzelner Selenoproteine im Gastrointestinaltrakt durchgeführt. Dabei wurden mit Selenoprotein P (SeP), Thioredoxinreduktase (TrxR1) und den beiden Isoformen der Glutathionperoxidase GPx-GI und pGPx erstmals vier verschiedene gastrointestinale Selenoproteine auf mRNA-Ebene identifiziert. Hier zeigte sich ein differenzielles Expressionsmuster in den verschiedenen Kompartimenten des humanen Verdauungstraktes. Dieser Befund bildete die Grundlage für weitere Untersuchungen, in welchen veränderte Expressionsmuster der Selenoproteine in gastrointestinalen Präkanzerosen wie kolorektale Adenome oder Barrett-Ösophagus nachgewiesen werden konnten. Analog hierzu fand sich eine Expression dieser Selenoproteine in den humanen Kolon- und Magenkarzinomzelllinien Caco 2 und ST23132, was diese als geeignetes Zellkultursystem zur Untersuchung der Regulation der Genexpression ausweist. Die Detektion der zu den genannten Proteinen zugehörigen Banden in metabolischen Markierungsversuchen mit 75Se (in Zellkultur und gastrointestinalen Schleimhautbiopsien) ist als Nachweis der Translation dieser Gene zu werten. Von besonderem Interesse ist die Rolle der GPx-GI bei der gastrointestinalen Karzinogenese. Die aus epidemiologischen Daten als Karzinogene einzustufenden Stoffe Ethanol und Tamoxifen bewirken in der Zellkultur eine gesteigerte Genexpression der GPx-GI. Die vermehrte Bildung von GPx-GI wurde auch in kolorektalen Adenomen, einer fakultativen Präkanzerose, gefunden. Der Stellenwert der veränderten Genexpression von gastrointestinalen Selenoproteinen im Rahmen der Karzinogenese bleibt noch weiter zu untersuchen. Eine Wirkung von Östrogen auf die gastrointestinalen Selenoproteine war nicht nachweisbar. Diese Frage war Gegenstand dieser Arbeit, da für Östrogen (wie auch für Selen) epidemiologisch ein Schutzeffekt gegen kolorektale Karzinome bekannt ist. Zu den zukünftig weiter zu klärenden Fragen gehört insbesondere die weitere Aufklärung der biologischen Funktionen von Selenoproteinen.