Investigation of the homeostasis regulation in the intestine 1) Role of NO-sensitive guanylyl cyclase in the intestinal ecosystem 2) Characterization of PD-1 expression on intestinal innate lymphoid cells group 2 (ILC2)
Anatomy and Physiology
Immunology
Final Report Abstract
Schleimhäute bilden die Grenze zwischen der Umwelt und des Körperinneren, wodurch sie mit einer Vielzahl symbiotischer Bakterien aber auch Antigenen und Pathogenen in Kontakt kommen. Verschiedene Regulationsmechanismen des Immunsystems gewährleisten den Erhalt des Gleichgewichts in der Mukosa. Der NO/cGMP-Signalweg übernimmt eine entscheidende regulatorische Funktion im Gastrointestinaltrakt. So führt die Deletion des zentralen Enzyms der Signalkaskade, der Stickstoffoxid (NO)-sensitiven Guanylyl-Cyclase (GC), zu einem ausgeprägten gastrointestinalen Phänotyp: Die Tiere erleiden einen verfrühten Tod als Folge von Blutungen und Rupturen des Colons und Caecums. Durch eine ballaststoffarme Diät kann die Lebenserwartung der Tiere jedoch gesteigert werden. Dies bildet die Grundlage für die Frage, ob und wie die NO-GC in die Regulationsmechanismen der mukosalen Homöostase involviert ist. Im Rahmen dieses Projektes konnte gezeigt werden, dass die NO-GC eine wichtige Rolle für den Erhalt der gastrointestinalen Homöostase spielt. Dies ist durch eine beeinträchtigen Kapazität zur Mikrobiotaanpassung sowie einer erhöhten Durchlässigkeit der intestinalen Barriere gekennzeichnet. Die erhöhte Mortalität der GCKO Tiere korrelierte mit der Kolonisation von A. muciniphila im Colon der Tiere. Hierbei konnte die Depletion des Bakteriums mit Hilfe einer Antibiotikatherapie zu einer signifikanten Verlängerung der Lebenserwartung führen. Interessant bleibt die Frage, ob GCKO Tiere unter keimfreien Bedingungen unter den gleichen gastrointestinalen Beschwerden leiden würden. Dieser Versuchsansatz ist jedoch bedingt durch die schwierigen Verpaarungsverhältnisse sehr kosten- und zeitintensiv. Der zugrundeliegende Mechanismus und die Frage wie die NO-GC die gastrointestinalen Hömostase reguliert, konnte in dieser Studie leider nicht komplett aufgeklärt werden. Die Ergebnisse haben jedoch gezeigt, dass Fibroblasten potentiell eine entscheidende Rolle für den Erhalt des mukosalen Gleichgewichts spielen. Dies eröffnete neue Ansatzpunkte für weitere Forschungsprojekte, bei der vor allem die Rolle der NO-GC in Fibroblasten und bei der epithelialen-mesenchymalen Transition im Fokus steht. Hierbei wäre vor allem interessant zu untersuchen, welche Funktion die NO-GC in den Fibroblastenpopulationen einnimmt. Der Einsatz eines Fibroblasten-spezifischen NO-GC KO-Modells könnte interessante Informationen liefern. Trotz der vielen offenen Fragen, kann eine Publikation mit den vorhandenen Ergebnissen zusammengestellt werden und steht kurz vor dem Abschluss. Im zweiten Teil des Forschungsvorhabens sollte die Funktion der PD-1/PD-L1-Expression auf intestinalen innaten lymphoiden Zellen der Gruppe 2 (ILC2) analysiert werden. Kürzlich wurde bereits die Expression des Negativregulators PD-1 und dessen Ligand PD-L1 auf ILC2 der Lunge sowie des Dünndarms nachgewiesen. Jedoch ist die Frage, warum sowohl Rezeptor als auch Ligand auf dem gleichen Zelltyp exprimiert werden, bislang ungeklärt. Des Weiteren ist die Expression und Funktion von PD-1/PD-L1 auf ILC2 des Colons derzeit nicht bekannt. In Dünn- und Dickdarm konnten gewebespezifische ILC2 Populationen nachgewiesen werden: Im Dickdarm ILC2 konnte lediglich PD-1, auf Dünndarm ILC2 dagegen sowohl PD-1 als auch dessen Rezeptor PD-L1 nachgewiesen werden. Die Vermutung, dass die PD-1 Expression durch die Mikrobiotakomposition beeinflusst wird, wurde nicht bestätigt. Aus zeitlichen Gründen wurde die Fragestellung inwieweit die PD-1 Expression in ILC2 in Krankheitsmodellen involviert ist, nicht bearbeitet. Jedoch konnte das erlangte Wissen über die Interaktion von ILC und Bakterien im Darm in einem Review zusammengestellt und erfolgreich publiziert werden.
Publications
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Lack of NO-sensitive guanylyl cyclase impairs diet-induced microbiota remodeling. The 48th Annual Meeting of the Japanese Society for Immunology; 11.12. – 13.12.2019, Hamamatsu, Japan
Beck K, Satoh-Takayama N, Shi Z, Kageyama T, Kato T, Friebe A, Ohno H
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Innate Lymphoid Cells: Important Regulators of Host–Bacteria Interaction for Border Defense. Microorganisms 2020;8(9):1342
Beck K, Ohno H & Satoh-Takayama N
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Lack of NO-sensitive guanylyl cyclase impedes diet-depended microbiota remodeling. Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Neurogastroenterologie und Motilität; 28.02. – 01.03.2020; Freising, Deutschland
Beck K, Satoh-Takayama N, Shi Z, Kageyama T, Kato T, Friebe A, Ohno H
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A Japanese Kampo, Daikenchuto, Alleviates Experimental Colitis by Enhancing Group 3 Innate Lymphoid cells and Reshaping the Gut Microbiota in Mice; 50th. Annual Meeting of Japanese Society for Immunology; 08.12. – 10.12.2021, Nara
Shi Z, Satoh-Takayama N, Nakanishi Y, Nagata R, Beck K, Takeuchi T, Ohno H
