GABA, GadX and Gut Health: How Stimulation of EPEC Transcription Factor GadX Can Improve the Gut Mucosal Barrier
Seiten
2019
|
1. Aufl.
Mensch & Buch (Verlag)
978-3-86387-967-9 (ISBN)
Mensch & Buch (Verlag)
978-3-86387-967-9 (ISBN)
- Keine Verlagsinformationen verfügbar
- Artikel merken
GABA, GadX and Gut Health:
How Stimulation of EPEC Transcription Factor GadX Can Improve the Gut Mucosal Barrier
Diarrhoeic diseases belong to the most common health issues world-wide. They are a threat to both mankind and animals and are often induced by bacteria such as enteropathogenic Escherichia coli (EPEC). During the past decades, antibiotics have been the treatment of choice. The recent restriction of in-feed antibiotics raises problems particularly in pig fattening where postweaning diarrhoea causes significant losses. Thus, there is an increasing demand for alternative approaches to prevent postweaning diarrhoea.
Growing evidence suggests that the inhibitory transmitter gamma -aminobutyric acid (GABA) has not only functions in the central nervous system but is also an important player in the gut where it affects motility and immune functions. Besides that, the virulence gene regulation of EPEC is closely linked to GABA production, a process involving the bacterial transcription factor GadX. Moreover, GABA is contained in a regular diet as it is a significant component of the free amino acid pool of all kinds of plants, is available in dairy products and can be produced by several different bacteria during food or feed fermentation.
The major goals of this thesis were to:
a) prove that an activation of the transcription factor GadX in EPEC would increase GABA production
b) test whether an overexpression of the transcription factor gadX in EPEC would lead to reduced virulence factor gene expression and reduced virulence in vitro
c) examine whether topical GABA application would have a positive effect on the mucosal barrier of the intestinal epithelium of pigs ex vivo, thereby potentially decreasing the susceptibility to gut infections
d) place the results in a broader, translational context with respect to their relevance for future approaches to fight diarrhoea.
Two studies were performed addressing these questions. Methods and results were presented in the manuscripts „GABA selectively increases mucin-1 expression in isolated pig jejunum“ (Genes & Nutrition, 2015, 10(6):47) and “The GadX regulon affects virulence gene expression and adhesion of porcine enteropathogenic Escherichia coli in vitro“ (Veterinary and Animal Science, 2017, 3:10-17).
In the first study, the influence of GABA on porcine intestinal epithelium was evaluated in an ex vivo approach. Isolated porcine jejunal mucosa was incubated with different concentrations of GABA or its precursor glutamine on the luminal side for 4 hrs. Changes in the mRNA expression levels of mucins, GABAB receptor, enzymes involved in the metabolism of GABA and glutamine, interleukin-10 and glutathione peroxidase 2 were analysed by RT-qPCR. It was observed that the expression of mucin-1 on mRNA and protein level was selectively upregulated by the treatment with GABA, indicating that GABA can directly enhance mucosal barrier functions without vagal involvement.
In the second study, the role of gadX was studied with respect to crucial virulence gene expression in EPEC, the latter being isolated from diarrhoeic pigs. The transcription factor gadX was either stimulated through acidification or by overexpression via an inducible plasmid. In both approaches it was shown that GABA production was significantly increased upon gadX induction while mRNA expression of the virulence gene intimin was reduced. Furthermore, an adhesion test demonstrated that strains transformed with the gadX plasmid completely lost their ability to attach and adhere to an intestinal porcine epithelial cell line.
Finally, the potential of GABA and gadX as target for the prevention of diarrhoea is discussed and several approaches to stimulate gadX expression in vivo are introduced. It is concluded that gadX stimulation in EPEC might not only decrease virulence gene expression but could also exert an infection-preventing effect by increasing bacterial GABA production and thereby enhancing intestinal mucin expression. Beyond that, the results of this work support the hypothesis that GABA is part of the strikingly complex communication system between host and gut microbiota and could be vital to maintain the sensitive balance of the interactions between microbiota and host. However, more research is required to evaluate the underlying pathways and to identify potential targets which could be used to activate GABA production and gadX expression in vivo. GABA, GadX und Darmgesundheit:
Wie eine Stimulation des EPEC Transkriptionsfaktors GadX die Barriere der Darmschleimhaut verbessern kann
Durchfallerkrankungen gehören zu den häufigsten Gesundheitsproblemen weltweit. Sie stellen eine Bedrohung für Mensch und Tier dar und werden häufig durch Bakterien wie z. B. enteropathogene Escherichia coli (EPEC) verursacht. Während der letzten Jahrzehnte war die Therapie mit Antibiotika Mittel der Wahl. Da jedoch bei Bakterien zunehmend Resistenzen gegen Antibiotika auftraten, begannen viele Länder den Einsatz von Antibiotika stark zu reglementieren. Die daraus resultierenden Restriktionen im Bereich der Fütterungsantibiotika verursachen insbesondere in der Schweinemast zunehmend Probleme, da die Absatzferkel-Diarrhö zu massiven Ferkelverlusten führt. Aus diesem Grund steigt die Nachfrage nach alternativen Lösungen zur Prävention der Absatzferkel-Diarrhö.
Es gibt zunehmend Hinweise darauf, dass der inhibitorische Transmitter Gamma-Aminobuttersäure (GABA) nicht nur im Zentralnervensystem eine Rolle spielt, sondern auch als wichtiger Botenstoff im Darm fungiert, wo er Motilität und Abwehrfunktionen beeinflusst. Die Regulation der Virulenz von EPEC, welche den der bakteriellen Transkriptionsfaktor GadX involviert, ist eng mit der Produktion von GABA verbunden. Darüber hinaus gehört GABA zur regulären Ernährung, da es eine Hauptkomponente des freien Aminosäurepools von Pflanzen darstellt, in Milchprodukten enthalten ist und von verschiedenen, fermentativ genutzten Bakterienarten synthetisiert werden kann.
Die Hauptziele der vorliegenden Arbeit waren:
a) zu überprüfen ob die Aktivierung des Transkriptionsfaktors GadX zu einer verstärkten GABA-Produktion in EPEC führt
b) zu testen ob die Aktivierung des Transkriptionsfaktors GadX in EPEC eine verminderte Virulenz in vitro bewirkt
c) zu untersuchen, ob eine lokale Applikation von GABA in vitro einen positiven Effekt auf die Schleimhautbarriere im Darmepithel von Schweinen hat und dadurch möglicherweise die Anfälligkeit für Darminfektionen verringert
d) die Ergebnisse im Hinblick auf die Relevanz für zukünftige Strategien zur Bekämpfung von Durchfallgeschehen bei verschiedenen Spezies in einen Zusammenhang zu setzen
Um diesen Fragenstellungen nachzugehen, wurden zwei Studien durchgeführt. Die Methoden und Ergebnisse sind in den Manuskripten „GABA selectively increases mucin-1 expression in isolated pig jejunum“ (Genes & Nutrition, 2015, 10(6):47) und “The GadX regulon affects virulence gene
expression and adhesion of porcine enteropathogenic Escherichia coli in vitro“ (Veterinary and Animal Science, 2017, 3:10-17) zusammengefasst.
In der ersten Studie wurde in einem ex vivo Ansatz der Einfluss von GABA auf das Epithel vom Schweinedarm untersucht. Dafür wurde isolierte Jejunum-Schleimhaut vom Schwein für vier Stunden mit verschiedenen Konzentrationen von GABA bzw. dessen Vorstufe Glutamin inkubiert. Anschließend wurde mittels RT-qPCR die mRNA-Expression von Muzinen, dem GABAB Rezeptor, der in den GABA- und Glutamin-Stoffwechsel involvierten Enzyme, von Interleukin-10 und der Glutathionperoxidase 2 untersucht. Es zeigte sich, dass durch die Behandlung mit GABA die Expression von Muzin-1 sowohl auf mRNA- als auch auf Proteinebene signifikant hochreguliert wurde. Daraus kann geschlussfolgert werden, dass GABA auch ohne Beteiligung des Nervus vagus direkt die Funktionen der Schleimhautbarriere verbessern kann.
Im zweiten Artikel wurde die Auswirkung von gadX auf die Expression entscheidender Virulenzgene von Schweine-adaptierten EPEC-Stämmen untersucht. Der Transkriptionsfaktor gadX wurde entweder durch Ansäuerung des Milieus oder durch Überexpression eines induzierbaren GadX-tragenden Plasmids stimuliert. In beiden Ansätzen stieg die GABA-Produktion signifikant an, während gleichzeitig die mRNA-Expression des Virulenzgens Intimin herunterreguliert wurde. Des Weiteren konnte in einem Adhäsionstest gezeigt werden, dass Stämme, die mit dem GadX-Plasmid transformiert worden waren, ihre Fähigkeit zur Anlagerung und Adhäsion an eine porzine Darm-Zelllinie vollständig verloren.
Das Potential von GABA und gadX für die Prävention von Durchfallerkrankungen wird diskutiert und verschiedene Ansätze vorgestellt, wie die gadX-Expression in vivo stimuliert werden könnte. Es wird geschlussfolgert, dass die Stimulation von gadX in EPEC nicht nur die Expression von Virulenzgenen reduziert, sondern auch dazu beitragen kann, eine Infektion zu verhindern, indem die bakterielle GABA-Synthese verstärkt und gleichzeitig die Muzin-Expression der Darmschleimhaut verbessert wird. Darüber hinaus unterstützen die Ergebnisse dieser Arbeit die Hypothese, dass GABA Teil des bemerkenswert komplexen Kommunikationssystems zwischen Wirt und Darmflora sein könnte und eine essentielle Bedeutung für die Aufrechterhaltung des empfindlichen Gleichgewichts beim Zusammenspiel zwischen Mikrobiota und Wirt hat. Allerdings ist noch mehr Forschung in diesem Bereich nötig, um potentielle Targets zu identifizieren, die die GABA-Produktion sowie die gadX-Expression in vivo aktivieren könnten.
How Stimulation of EPEC Transcription Factor GadX Can Improve the Gut Mucosal Barrier
Diarrhoeic diseases belong to the most common health issues world-wide. They are a threat to both mankind and animals and are often induced by bacteria such as enteropathogenic Escherichia coli (EPEC). During the past decades, antibiotics have been the treatment of choice. The recent restriction of in-feed antibiotics raises problems particularly in pig fattening where postweaning diarrhoea causes significant losses. Thus, there is an increasing demand for alternative approaches to prevent postweaning diarrhoea.
Growing evidence suggests that the inhibitory transmitter gamma -aminobutyric acid (GABA) has not only functions in the central nervous system but is also an important player in the gut where it affects motility and immune functions. Besides that, the virulence gene regulation of EPEC is closely linked to GABA production, a process involving the bacterial transcription factor GadX. Moreover, GABA is contained in a regular diet as it is a significant component of the free amino acid pool of all kinds of plants, is available in dairy products and can be produced by several different bacteria during food or feed fermentation.
The major goals of this thesis were to:
a) prove that an activation of the transcription factor GadX in EPEC would increase GABA production
b) test whether an overexpression of the transcription factor gadX in EPEC would lead to reduced virulence factor gene expression and reduced virulence in vitro
c) examine whether topical GABA application would have a positive effect on the mucosal barrier of the intestinal epithelium of pigs ex vivo, thereby potentially decreasing the susceptibility to gut infections
d) place the results in a broader, translational context with respect to their relevance for future approaches to fight diarrhoea.
Two studies were performed addressing these questions. Methods and results were presented in the manuscripts „GABA selectively increases mucin-1 expression in isolated pig jejunum“ (Genes & Nutrition, 2015, 10(6):47) and “The GadX regulon affects virulence gene expression and adhesion of porcine enteropathogenic Escherichia coli in vitro“ (Veterinary and Animal Science, 2017, 3:10-17).
In the first study, the influence of GABA on porcine intestinal epithelium was evaluated in an ex vivo approach. Isolated porcine jejunal mucosa was incubated with different concentrations of GABA or its precursor glutamine on the luminal side for 4 hrs. Changes in the mRNA expression levels of mucins, GABAB receptor, enzymes involved in the metabolism of GABA and glutamine, interleukin-10 and glutathione peroxidase 2 were analysed by RT-qPCR. It was observed that the expression of mucin-1 on mRNA and protein level was selectively upregulated by the treatment with GABA, indicating that GABA can directly enhance mucosal barrier functions without vagal involvement.
In the second study, the role of gadX was studied with respect to crucial virulence gene expression in EPEC, the latter being isolated from diarrhoeic pigs. The transcription factor gadX was either stimulated through acidification or by overexpression via an inducible plasmid. In both approaches it was shown that GABA production was significantly increased upon gadX induction while mRNA expression of the virulence gene intimin was reduced. Furthermore, an adhesion test demonstrated that strains transformed with the gadX plasmid completely lost their ability to attach and adhere to an intestinal porcine epithelial cell line.
Finally, the potential of GABA and gadX as target for the prevention of diarrhoea is discussed and several approaches to stimulate gadX expression in vivo are introduced. It is concluded that gadX stimulation in EPEC might not only decrease virulence gene expression but could also exert an infection-preventing effect by increasing bacterial GABA production and thereby enhancing intestinal mucin expression. Beyond that, the results of this work support the hypothesis that GABA is part of the strikingly complex communication system between host and gut microbiota and could be vital to maintain the sensitive balance of the interactions between microbiota and host. However, more research is required to evaluate the underlying pathways and to identify potential targets which could be used to activate GABA production and gadX expression in vivo. GABA, GadX und Darmgesundheit:
Wie eine Stimulation des EPEC Transkriptionsfaktors GadX die Barriere der Darmschleimhaut verbessern kann
Durchfallerkrankungen gehören zu den häufigsten Gesundheitsproblemen weltweit. Sie stellen eine Bedrohung für Mensch und Tier dar und werden häufig durch Bakterien wie z. B. enteropathogene Escherichia coli (EPEC) verursacht. Während der letzten Jahrzehnte war die Therapie mit Antibiotika Mittel der Wahl. Da jedoch bei Bakterien zunehmend Resistenzen gegen Antibiotika auftraten, begannen viele Länder den Einsatz von Antibiotika stark zu reglementieren. Die daraus resultierenden Restriktionen im Bereich der Fütterungsantibiotika verursachen insbesondere in der Schweinemast zunehmend Probleme, da die Absatzferkel-Diarrhö zu massiven Ferkelverlusten führt. Aus diesem Grund steigt die Nachfrage nach alternativen Lösungen zur Prävention der Absatzferkel-Diarrhö.
Es gibt zunehmend Hinweise darauf, dass der inhibitorische Transmitter Gamma-Aminobuttersäure (GABA) nicht nur im Zentralnervensystem eine Rolle spielt, sondern auch als wichtiger Botenstoff im Darm fungiert, wo er Motilität und Abwehrfunktionen beeinflusst. Die Regulation der Virulenz von EPEC, welche den der bakteriellen Transkriptionsfaktor GadX involviert, ist eng mit der Produktion von GABA verbunden. Darüber hinaus gehört GABA zur regulären Ernährung, da es eine Hauptkomponente des freien Aminosäurepools von Pflanzen darstellt, in Milchprodukten enthalten ist und von verschiedenen, fermentativ genutzten Bakterienarten synthetisiert werden kann.
Die Hauptziele der vorliegenden Arbeit waren:
a) zu überprüfen ob die Aktivierung des Transkriptionsfaktors GadX zu einer verstärkten GABA-Produktion in EPEC führt
b) zu testen ob die Aktivierung des Transkriptionsfaktors GadX in EPEC eine verminderte Virulenz in vitro bewirkt
c) zu untersuchen, ob eine lokale Applikation von GABA in vitro einen positiven Effekt auf die Schleimhautbarriere im Darmepithel von Schweinen hat und dadurch möglicherweise die Anfälligkeit für Darminfektionen verringert
d) die Ergebnisse im Hinblick auf die Relevanz für zukünftige Strategien zur Bekämpfung von Durchfallgeschehen bei verschiedenen Spezies in einen Zusammenhang zu setzen
Um diesen Fragenstellungen nachzugehen, wurden zwei Studien durchgeführt. Die Methoden und Ergebnisse sind in den Manuskripten „GABA selectively increases mucin-1 expression in isolated pig jejunum“ (Genes & Nutrition, 2015, 10(6):47) und “The GadX regulon affects virulence gene
expression and adhesion of porcine enteropathogenic Escherichia coli in vitro“ (Veterinary and Animal Science, 2017, 3:10-17) zusammengefasst.
In der ersten Studie wurde in einem ex vivo Ansatz der Einfluss von GABA auf das Epithel vom Schweinedarm untersucht. Dafür wurde isolierte Jejunum-Schleimhaut vom Schwein für vier Stunden mit verschiedenen Konzentrationen von GABA bzw. dessen Vorstufe Glutamin inkubiert. Anschließend wurde mittels RT-qPCR die mRNA-Expression von Muzinen, dem GABAB Rezeptor, der in den GABA- und Glutamin-Stoffwechsel involvierten Enzyme, von Interleukin-10 und der Glutathionperoxidase 2 untersucht. Es zeigte sich, dass durch die Behandlung mit GABA die Expression von Muzin-1 sowohl auf mRNA- als auch auf Proteinebene signifikant hochreguliert wurde. Daraus kann geschlussfolgert werden, dass GABA auch ohne Beteiligung des Nervus vagus direkt die Funktionen der Schleimhautbarriere verbessern kann.
Im zweiten Artikel wurde die Auswirkung von gadX auf die Expression entscheidender Virulenzgene von Schweine-adaptierten EPEC-Stämmen untersucht. Der Transkriptionsfaktor gadX wurde entweder durch Ansäuerung des Milieus oder durch Überexpression eines induzierbaren GadX-tragenden Plasmids stimuliert. In beiden Ansätzen stieg die GABA-Produktion signifikant an, während gleichzeitig die mRNA-Expression des Virulenzgens Intimin herunterreguliert wurde. Des Weiteren konnte in einem Adhäsionstest gezeigt werden, dass Stämme, die mit dem GadX-Plasmid transformiert worden waren, ihre Fähigkeit zur Anlagerung und Adhäsion an eine porzine Darm-Zelllinie vollständig verloren.
Das Potential von GABA und gadX für die Prävention von Durchfallerkrankungen wird diskutiert und verschiedene Ansätze vorgestellt, wie die gadX-Expression in vivo stimuliert werden könnte. Es wird geschlussfolgert, dass die Stimulation von gadX in EPEC nicht nur die Expression von Virulenzgenen reduziert, sondern auch dazu beitragen kann, eine Infektion zu verhindern, indem die bakterielle GABA-Synthese verstärkt und gleichzeitig die Muzin-Expression der Darmschleimhaut verbessert wird. Darüber hinaus unterstützen die Ergebnisse dieser Arbeit die Hypothese, dass GABA Teil des bemerkenswert komplexen Kommunikationssystems zwischen Wirt und Darmflora sein könnte und eine essentielle Bedeutung für die Aufrechterhaltung des empfindlichen Gleichgewichts beim Zusammenspiel zwischen Mikrobiota und Wirt hat. Allerdings ist noch mehr Forschung in diesem Bereich nötig, um potentielle Targets zu identifizieren, die die GABA-Produktion sowie die gadX-Expression in vivo aktivieren könnten.
| Erscheinungsdatum | 10.08.2019 |
|---|---|
| Verlagsort | Berlin |
| Sprache | englisch |
| Maße | 148 x 210 mm |
| Themenwelt | Veterinärmedizin |
| Schlagworte | Diarrhoea • enteropathogenic escherichia coli • gamma-aminobutyric acid • Glutamine • Jejunum • mucins • Mucosa • plasmids • Real time PCR • Signals • Transmission |
| ISBN-10 | 3-86387-967-8 / 3863879678 |
| ISBN-13 | 978-3-86387-967-9 / 9783863879679 |
| Zustand | Neuware |
| Informationen gemäß Produktsicherheitsverordnung (GPSR) | |
| Haben Sie eine Frage zum Produkt? |
Mehr entdecken
aus dem Bereich
aus dem Bereich
A Practical Guide
Buch | Hardcover (2024)
Wiley-Blackwell (Verlag)
CHF 204,30
Buch | Hardcover (2024)
Wiley-Blackwell (Verlag)
CHF 174,35
Buch | Softcover (2024)
British Small Animal Veterinary Association (Verlag)
CHF 119,95
