Microbially generated protons mediate interkingdom host-microbiome cross-talk and maintain intestinal homeostasis via reciprocal functions of two proton-sensing GPCRs

微生物产生的质子通过两个质子感应 GPCR 的相互作用介导界间宿主-微生物组串扰并维持肠道稳态

• 批准号: 9371648
• 负责人: M. Ashfaqul Alam
• 金额: $ 10.74万
• 依托单位: EMORY UNIVERSITY
• 依托单位国家: 美国
• 财政年份: 2017
• 资助国家: 美国
• 起止时间: 2017-08-01 至 2021-07-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://reporter.nih.gov/project-details/9371648
• 关键词: Affect; Animals; Biology; Biopsy; Cell Proliferation; Cells; Cellular biology; Chronic; Colon; Complex; Development; Diabetes Mellitus; Disease; Distal; Educational workshop; Endoscopy; Enteral; Enterocytes; Environment; Epithelial; Epithelial Cell Proliferation; Epithelial Cells; Event; Forcep; Foundations; Funding; G-Protein-Coupled Receptors; Genes; Germ-Free; Goals; Grant; Health; Homeostasis; Immune system; In Vitro; Infection; Inflammatory; Inflammatory Bowel Diseases; Institutes; Intestinal Mucosa; Intestines; Knowledge; Liquid substance; Liver diseases; Maintenance; Mass Spectrum Analysis; Measures; Mediating; Mediator of activation protein; Mentors; Mentorship; Metabolic; Methods; Mission; Mucous Membrane; Mus; National Institute of Diabetes and Digestive and Kidney Diseases; Natural regeneration; Obesity; Operative Surgical Procedures; Performance; Permeability; Process; Proteins; Protons; Regulation; Reporting; Research; Resources; Role; Scientist; Spectrometry; Structure; Technology; Testing; Tight Junctions; Tissues; Training; Trauma; Universities; Wound Healing; animal facility; base; career development; cell motility; claudin 4; colonic crypt; design; differential expression; evidence base; extracellular; gastrointestinal; gastrointestinal epithelium; gut microbiota; host-microbe interactions; immune activation; injured; intestinal epithelium; intestinal homeostasis; knowledge base; metabolome; metabolomics; metagenome; microbial; microbial community; microbial host; microbiome; microbiota; next generation; novel; pH gradient; programs; receptor; repaired; restoration; small molecule; spatiotemporal; transcriptome sequencing; wound; wound closure

Project  Summary:  Intestinal  damage  is  observed  in  inflammatory  bowel  disease  (IBD),  enteric  infections, as well as following surgical trauma, and environmental insults. Tissue restitution is a complex but  coordinated  cellular  process  to  repair  gut  mucosa.  We  recently  reported  that  the  intestinal  wound  microenvironment  specifically  enriches  a  mucosa-­associated  microbial  consortium,  which  enhanced  epithelial  wound healing. The advances in next generation gene sequencing have identified diverse microbial species and  metagenomes in the host;; however, to understand and exploit the potential of the microbiota’s >8 million genes  and their metabolic functions, application of the mass-­spectrometry-­based identification of small metabolites and  functional  characterization  by  the  methods  of  cell  biology  are  crucial.  Hence  this  proposed  study  will  lay  a  foundation for my rigorous training in metabolome and cell biology of gut barrier function. For this purpose, we  performed a preliminary analysis by mass spectrometry-­based global metabolomic profiling of intact and injured  mucosa  as  well  as  colon  of  germ-­free  and  conventional  mice.  We  found  an  elevated  synthesis  of  microbial  metabolites with low pKa, which are essential in establishing an extracellular pH gradient in the colonic crypts of  the conventional mice, but not in germfree mice. We also found that the colonic epithelial cells of conventional  mice express increased levels of proton-­sensing GPCRs (GPCR4 and GPCR68). Based on preliminary findings,  the working hypotheses of this project are: 1) the injured mucosal tissue and its associated microbiota produce  metabolites to regulate spatiotemporal changes in the proton concentration of the colon and thereby regulate  intestinal homeostasis and repair, 2) microbiota-­produced metabolites modulate proton concentration, which is  perceived by the proton-­sensing GPCRs of enterocytes to regulate gut permeability. Aim 1 is to confirm the role  of microbiota-­produced metabolites in regulating cellular proliferation & repair via proton-­sensing GPCR4 and  GPCR68 in the GPCR4-­/-­ and GPCR68-­/-­ mice, whose colonies are established in our animal facility. We will also  perform  the  metabolomic  profiling  and  RNA-­seq  analysis  of  the  colon  of  GPCR4-­/-­  and  GPCR68-­/-­  mice.  Furthermore, we will determine the metabolome of the injured mucosa in the germ-­free mouse. Specific Aim 2  will determine the function of the proton gradient & also the role of specific metabolites in the regulation of gut  permeability  by  tight-­junction.  Emory  University  boasts  an  intellectually  rich  research  environment  whose  resources will be used to carry out the proposed research as well as the mas-­spectrometry center located across  the town in Georgia Institute of Technology, Atlanta. The proposed research, in combination with a structured  team  of  mentor,  advisors,  and  collaborators  as  well  as  the  training  plan  that  includes  didactic  courses  and  workshops, is designed to facilitate my long-­term goal of developing an independently-­funded research program  in chronic gastrointestinal inflammatory diseases, such as IBD, consistent with the mission of the NIDDK.

项目摘要：在炎症性肠病 (IBD)、肠道疾病中观察到肠道损伤 感染、手术创伤和环境污染后的组织恢复是一个复杂的过程，但 我们最近报道了肠道伤口的协调细胞过程。 微环境特别丰富了粘膜相关的微生物群落，从而增强了上皮细胞 下一代基因测序的进步已经确定了多种微生物物种和伤口愈合。 宿主中的宏基因组；；然而，要了解和利用微生物群超过 800 万个基因的潜力 及其代谢功能，基于质谱的小代谢物鉴定的应用和 因此，通过细胞生物学方法进行功能表征至关重要。 为我在肠道屏障功能的代谢组学和细胞生物学方面的严格训练奠定了基础。 通过基于质谱法的完整和受伤的全球代谢组学分析进行了初步分析 我们发现无菌小鼠和常规小鼠的粘膜和结肠的微生物合成有所增加。 具有低 pKa 的代谢物，这对于在结肠隐窝中建立细胞外 pH 梯度至关重要 传统小鼠，但不是无菌小鼠。我们还发现传统小鼠的结肠上皮细胞 小鼠的质子感应 GPCR（GPCR4 和 GPCR68）水平升高。根据初步发现， 该项目的工作假设是：1）受伤的粘膜组织及其相关微生物群的产物。 代谢物调节结肠质子浓度的时空变化，从而调节 肠道稳态和修复，2）微生物群产生的代谢物调节质子浓度，这是 通过肠细胞的质子感应 GPCR 来调节肠道通透性。目标 1 是确认其作用。 微生物群产生的代谢物通过质子感应 GPCR4 调节细胞增殖和修复 GPCR4-/- 和 GPCR68-/- 小鼠中的 GPCR68，其菌落是在我们的动物设施中建立的。 对 GPCR4-/- 和 GPCR68-/- 小鼠的结肠进行代谢组学分析和 RNA-seq 分析。 此外，我们将确定无菌小鼠受损粘膜的代谢组。 Specific Aim 2。 将确定质子梯度的功能以及特定代谢物在肠道调节中的作用 埃默里大学拥有丰富的学术研究环境。 资源将用于开展拟议的研究以及位于各地的质谱中心 亚特兰大佐治亚理工学院的小镇。拟议的研究与结构化的研究相结合 导师、顾问和合作者团队以及包括教学课程和 研讨会，旨在促进我开发独立资助的研究项目的长期目标 慢性胃肠道炎症性疾病，如 IBD，与 NIDDK 的使命一致。