Identification of host and microbial signals influencing trans-kingdom crosstalk in the intestine
Commensal protozoa are an integral part of the gut microbiomes of many host species. However, the exploration of which signals govern the interplay between the representatives from different kingdoms has recently started to be elucidated. In line with previous studies, we demonstrate that a commensal protozoan, Tritrichomonas musculis (T.mu), is present in the mouse gut of a subset of conventionally housed and wild mice. In our in-house experiments, colonizing specific pathogen-free mice with T.mu did not significantly alter the microbiome structure in terms of alpha and beta diversity. However, there was a notable decrease in the relative abundance of the Erysipelotrichaceae family. We also observed the expected hyperplasia of the small intestine, along with the increased tuft, goblet cells, and low-grade inflammation. Interestingly, the small intestine's physiology and barrier function were compromised, as indicated by reduced proliferation (ki-67) in the crypts and decreased expression of genes related to triglyceride and fatty acid absorption. Notably, the sensing of short-chain fatty acids, particularly Gpr43, significantly augmented, correlating with systemic neutrophil infiltration and inflammation. These findings were further supported by increased expression of the emergency granulopoiesis transcription factor c/ebpβ and an elevated number of bone marrow neutrophil precursors.
The properties of IL-22 have been shown to be essential for sustaining appropriate gut health and immunity of the gastrointestinal mucosal tract. Therefore, we propose that dysregulation of the IL-22/IL-22BP axis may lead to maladaptation during T.mu colonization. As hypothesized, we found that the main IL-22bp expression as well as the producers were increased, mostly SiglecF+ and CD11c+ cells which have been previously reported in other models. When studying IL-22BP's role in total deficient mice, we observed no changes in protozoa load, tuft cells, or epithelial cell proliferation and length. Besides that, the reduction in goblet cells was reported indicating an altered response. The predicted IL-22 availability was insufficient to reverse T.mu's absorptive disruption in the small intestine. An increase in the tight junction marker Jam-a and immune response markers indicated heightened infiltration levels of eosinophils, neutrophils, and monocytes. Additionally, an elevated frequency of GATA3+ and RorγT+ cells correlated with an exacerbation of innate cells. Importantly, these modifications did not affect the microbiome composition, as evidenced by consistent 16S rRNA results.
Lastly, the composition of the microbiome is a crucial factor of resistance including protozoan infection. Initially, we observed that a richer microbiome was associated with increased live epithelial cells when comparing GF and SPF-HZI to Dysb-colonized mice. This assessment led to the assumption that initial colonization with segmented filamentous bacteria (SFB), known for inducing robust ileal Th17 immunity in Dysb mice could potentially prevent T.mu-induced modifications. Surprisingly, regardless of similar protozoa levels, we noted significant improvements in crypt proliferation and villi length. The reinforced gut barrier prevented T.mu-induced tuft cell expansion and changes in mucosal immunity whereas the frequency of live cells was restored although fatty acid absorption remained impaired. Notably, Jam-a and Gpr120 expression was significantly improved, while neutrophil engraftment was consistent with innate cell infiltration. The occurrence of RorγT+ cells increased whilst the occurrence of GATA3+ cells decreased simultaneously. Moreover, the 16S rRNA sequence confirmed distinct colonization in Dysb mice, predominantly featuring SFB in the colon and small intestine, validating our microbiome intervention.
Kommensale Protozoen sind ein integraler Bestandteil der Darmmikrobiome vieler Wirtsspezies. Die Erforschung der Signale, die das Zusammenspiel zwischen den Vertretern verschiedener Reiche steuern, hat jedoch erst kürzlich begonnen, aufgeklärt zu werden. In Übereinstimmung mit früheren Studien zeigen wir, dass ein kommensales Protozoon, Tritrichomonas musculis (T.mu), im Darm von konventionell gehaltenen und wilden Mäusen einer Untergruppe präsent ist. In unseren hauseigenen Experimenten führte die Kolonisierung von spezifisch keimfreien Mäusen mit T.mu nicht zu signifikanten Veränderungen der Mikrobiomstruktur in Bezug auf die Alpha- und Beta-Diversität. Es gab jedoch eine bemerkenswerte Abnahme des relativen Vorkommens der Familie Erysipelotrichaceae. Wir beobachteten auch die erwartete Hyperplasie des Dünndarms sowie eine Zunahme von Bürstensaum-, Becherzellen und einer geringgradigen Entzündung. Interessanterweise war die Physiologie und Barrierefunktion des Dünndarms beeinträchtigt, wie durch eine reduzierte Proliferation (ki-67) in den Krypten und eine verminderte Expression von Genen im Zusammenhang mit der Triglycerid- und Fettsäureaufnahme angezeigt wurde. Beachtenswert ist, dass die Wahrnehmung von kurzkettigen Fettsäuren, insbesondere Gpr43, signifikant gesteigert war und mit einer systemischen Infiltration von Neutrophilen und Entzündungen korrelierte. Diese Befunde wurden durch eine erhöhte Expression des Notfall-Granulopoese-Transkriptionsfaktors c/ebpβ und einer erhöhten Anzahl von Neutrophilen-Vorläuferzellen im Knochenmark weiter unterstützt.
Die Eigenschaften von IL-22 haben sich als entscheidend für die Aufrechterhaltung einer angemessenen Darmgesundheit und Immunität des gastrointestinalen Schleimhauttrakts erwiesen. Daher schlagen wir vor, dass eine Fehlregulierung der IL-22/IL-22BP-Achse zu einer Fehlanpassung während der T.mu-Kolonisation führen kann. Wie vermutet, stellten wir fest, dass die Haupt-IL-22bp-Expression sowie die Produzenten erhöht waren, hauptsächlich in SiglecF+ und CD11c+ Zellen, die bereits in anderen Modellen beschrieben wurden. Bei der Untersuchung der Rolle von IL-22BP in total defizienten Mäusen beobachteten wir keine Veränderungen in der Protozoenlast, Bürstensaumzellen oder der Proliferation und Länge der epithelialen Zellen. Darüber hinaus wurde über eine Reduktion von Becherzellen berichtet, was auf eine veränderte Reaktion hinweist. Die vorhergesagte Verfügbarkeit von IL-22 war unzureichend, um die absorptive Störung von T.mu im Dünndarm umzukehren. Eine Zunahme des Tight-Junction-Markers Jam-a und der Marker für die Immunantwort deuteten auf erhöhte Infiltrationsniveaus von Eosinophilen, Neutrophilen und Monozyten hin. Darüber hinaus korrelierte eine erhöhte Frequenz von GATA3+ und RorγT+ Zellen mit einer Verschlechterung der angeborenen Immunzellen. Diese Veränderungen beeinflussten die Mikrobiomzusammensetzung nicht, wie durch konstante 16S-rRNA-Ergebnisse belegt wurde.
Schließlich ist die Zusammensetzung des Mikrobioms ein entscheidender Faktor für die Resistenz gegen Protozoeninfektionen. Zunächst beobachteten wir, dass ein reichhaltigeres Mikrobiom mit erhöhten lebenden epithelialen Zellen assoziiert war, wenn man GF- und SPF-HZI-Mäuse mit Dysb-kolonisierten Mäusen verglich. Diese Bewertung führte zur Annahme, dass die anfängliche Kolonisierung mit segmentierten filamentösen Bakterien (SFB), die für die Induktion einer robusten ilealen Th17-Immunität bei Dysb-Mäusen bekannt sind, möglicherweise T.mu-bedingte Veränderungen verhindern könnte. Überraschenderweise beobachteten wir trotz ähnlicher Protozoenlevel signifikante Verbesserungen in der Kryptenproliferation und der Länge der Zotten. Die gestärkte Darmbarriere verhinderte die Ausdehnung der Bürstensaumzellen und Veränderungen in der Schleimhautimmunität, während die Häufigkeit lebender Zellen wiederhergestellt wurde, obwohl die Aufnahme von Fettsäuren beeinträchtigt blieb. Bemerkenswerterweise verbesserte sich die Expression von Jam-a und Gpr120 erheblich, während die Neutrophilen-Einlagerung mit der Infiltration angeborener Zellen übereinstimmte. Das Auftreten von RorγT+ Zellen nahm zu
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