The relationship between human beta-defensins and anaerobic commensal gut microbiota

Abstract

Humans are permanently confronted with microorganisms, including bacteria, fungi and viruses. They do not only colonize outer surfaces but also grow in large numbers in the human intestine. In the gut, the majority of microbes are commensal bacteria, which have beneficial effects on the host. They assist in degrading complex carbohydrates, provide vitamins and modulate the intestinal immune system. As important components of the innate immune system, endogenous antimicrobial peptides (AMPs) defend against bacteria, fungi and some viruses. They are small, cationic peptides produced by multicellular organisms, including vertebrates, invertebrates and plants. One of the major classes of AMPs are the defensins, which are characterized by a conserved array of disulphide bridges. Depending on their disulphide-connectivity, they are sub-grouped into alpha- and beta-defensins. Probiotics, which are live nonpathogenic microorganisms that confer health benefits on the host when administered in adequate amounts, have been found to stimulate beta-defensin production in different cell culture experiments. They exhibit a beneficial effect after application in different diseases, but the molecular basis of their in vivo effect was unclear. In this work it is described that the probiotic E. coli Nissle stimulates the secretion of human beta-defensin 2 (hBD-2) into the feces of healthy volunteers. The probiotics used are effectively killed by hBD-2 and other antimicrobial peptides, explaining the requirement for the continuos application of probiotics. Since most commercial probiotic mixtures include Bifidobacteria and Lactobacilli, which are also normally part of the commensal intestinal flora, we investigated the effect of the constitutively produced human beta-defensin 1 (hBD-1) on these and other microorganisms. Because we wanted to reproduce the natural conditions in the gut as close as possible, we used a reducing environment like that present in the gut due to extensive bacterial metabolism. It is described in this work that only the reduced hBD-1 peptide but not the oxidized form is antimicrobially active against commensal Bifidobacteria and Lactobacilli and the opportunistic pathogenic fungus Candida albicans. Besides the surrounding medium, reduction of hBD-1 can be performed enzymatically in the presence of oxygen by the constitutively expressed oxido-reductase thioredoxin. Consequently, we found redox modulation as a novel mechanism of regulating antimicrobial host defense. In summary, human beta-defensins and anaerobic commensal gut bacteria are in a well-balanced and tightly regulated relationship in which neither site favors too much closeness.

Der menschliche Körper ist permanent Mikroorganismen wie Bakterien, Pilzen und Viren ausgesetzt. Diese besiedeln nicht nur äußere Oberflächen, sondern sind auch in großen Mengen im menschlichen Darm zu finden. Dort besteht die Mehrzahl der Mikroorganismen aus kommensalen Bakterien, welche positive Effekte für den Wirt besitzen. Sie unterstützen den Abbau komplexer Kohlenhydrate, synthetisieren Vitamine und beeinflussen das intestinale Immunsystem. Ein wichtiger Bestandteil des angeborenen Immunsystems sind antimikrobielle Peptide (AMPs), welche Bakterien, Pilze und einige Viren eliminieren. AMPs sind kleine, kationische Peptide, welche von Wirbeltieren, wirbellosen Lebewesen sowie Pfanzen produziert werden. Eine der Hauptklassen der AMPs sind die Defensine, welche durch eine besondere Anordnung von Disulphidbrücken charakterisiert sind und abhängig davon in alpha- und beta-Defensine eingeteilt werden. Probiotika sind lebende, nicht-pathogene Mikroorganismen, die einen positiven Effekt auf die Gesundheit des Wirts besitzen, wenn sie in entsprechenden Mengen verabreicht werden. In Zellkultur-Experimenten wurde gezeigt, dass Probiotika die Produktion von beta-Defensinen stimulieren. Auch wurden Probiotika erfolgreich in einigen Krankheiten eingesetzt, die genaue Wirkung in vivo war bislang allerdings nicht geklärt. In dieser Arbeit wird beschrieben, dass die Verabreichung von Probiotika an gesunde Probanden eine Sekretion des humanen beta-Defensins 2 (hBD-2) in den Stuhl bewirkt. Die verabreichten Probiotika sind nicht resistent gegen hBD-2 und andere AMPs, was erklären könnte, warum Probiotika kontinuierlich eingenommen werden müssen. Da die meisten kommerziellen Probiotika Bifidobakterien und Laktobazillen, welche auch Teil der kommensalen Flora des Darms sind, enthalten, interessierte uns die Wirkung des konstitutiv produzierten humanen beta-Defensins 1 (hBD-1) auf diese und andere Mikroorganismen. Um den Bedingungen im Darm möglichst zu entsprechen, führten wir die Versuche unter reduzierenden Bedingungen durch, wie sie im Darm durch mikrobiellen Stowechsel herrschen. In dieser Arbeit wird beschrieben, dass nur das reduzierte, aber nicht das oxidierte hBD-1 gegen Bifidobakterien und Laktobazillen sowie gegen den opportunistisch pathogenen Pilz Candida albicans wirkt. Neben dem reduzierenden Milieu kann auch die Oxidoreduktase Thioredoxin die Reduktion von hBD-1 katalysieren. Somit konnten wir die Redox-Modulation als einen neuen Mechanismus der antimikrobiellen Abwehr gegen Bakterien und Pilze identifizieren. Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass humane beta-Defensine und anaerobe Darmbakterien eine gut ausbalancierte und eng regulierte Beziehung pflegen, in welcher beide Seiten keine zu große Nähe bevorzugen.