Regulation of antimicrobial peptides in the gastrointestinal tract

Abstract

The intestinal epithelium has an enormously large surface, which is constantly exposed to high amounts of pathogens and commensal bacteria. In order to prevent pathogens or other microorganisms from overcoming this barrier, good protection is needed. In the small intestine, human α-defensin 5 (HD-5) and 6 (HD-6) are important components of this barrier. Paneth cells, which are secretory epithelial cells, produce these antimicrobial peptides. The cells are located at the base of the crypt in the small intestine, where they play a central role in the microbial defense and regulating the composition of the intestinal microbiota. In ileal Crohn's disease, which belongs to the inflammatory bowel diseases, HD-5 and HD-6 levels are reduced, which leads to a changed composition of the intestinal flora and a poorer barrier function of the intestinal mucosa. Underlying mechanisms are genetically but also non-genetically influencing the Paneth cell function on different levels. The Wnt signaling pathway plays a key role in maintaining intestinal homeostasis. On the one hand it keeps the intestinal epithelial cells in a proliferating state, on the other hand it regulates the differentiation and maturation of Paneth cells. It is also instrumental in the regulation of HD-5 and -6. Former results from our group revealed a link between the decreased expression of HD-5 and -6 and the Wnt transcription factor TCF-4. Independent of inflammation, patients with ileal Crohn's disease show decreased TCF-4 expression levels. But not only TCF-4 is affected, our group could also show that the receptor LRP6, which is essential for the stabilization of β-catenin in the cytoplasm is affected. Studies showed a decreased expression in ileal Crohn's disease. The results of genetic investigations are also exciting; In the LRP6 gene, a polymorphism was identified that occurs significantly more frequently in a subgroup (patients> 18) than in healthy subjects. In the present work the consequences of a disturbed Paneth cell function, but also potential causes were further investigated. Emphasis was placed on the patient side, but the microbial side of the balance was also examined using animal models. It could be shown that LRP6 directly regulates the expression of HD-5 and -6 whereas the expression of LRP5, as a co-expressed receptor of LRP6, is barely altered in patients and also in vitro there is no evidence for a direct regulation of HD-5 and -6. It was possible to show the high heterogeneity of LRP5 in several populations studied and no genetic association in all subgroups of Crohn's disease was found. Studying TCF-1 expression revealed decreased levels in patients with ileal Crohn's disease. Further results from a knockout mouse model showed that a TCF-1 knockout leads to a lower expression of cryptdines (mouse α-defensins). Furthermore, the role of antimicrobial peptides in the intestine could be further clarified in a rat liver cirrhosis model, since the transfer of commensal bacteria occurring here through the intestinal epithelium could be explained by a reduced expression of some antimicrobial peptides. Although many factors which play a role in the development of ileal Crohn's disease are still unknown, the present work has provided new insights into the mechanisms that lead to a well-balanced homeostasis at the epithelial site in the small intestine. Furthermore, the important role of the Wnt signaling pathway for the development of ileal Crohn's disease was underlined. Hopefully, these additional insights into the complex pathogenesis of the disease will one day provide new approaches to therapy.

Das Epithel des Darmes besitzt eine enorm große Oberfläche, welche ständig erheblichen Mengen von Pathogenen und kommensalen Bakterien ausgesetzt ist. Um zu verhindern, dass Pathogene oder auch andere Mikroorganismen diese Barriere überwinden, ist ein guter Schutz nötig. Im Dünndarm sind die humanen α- Defensine 5 (HD-5) und 6 (HD-6) wichtige Komponenten dieser Barriere. Diese antimikrobiellen Peptide werden von Panethzellen produziert. Panethzellen sind sekretorischen Epithelzellen und befinden sich an der Basis der Krypte im Dünndarm. Dort spielen sie eine zentrale Rolle bei der mikrobiellen Abwehr und der Regulation der bakteriellen Zusammensetzung der Darmflora. Bei Morbus Crohn des Dünndarms, diese Erkrankung zählt zu den chronisch entzündlichen Darmerkrankungen, kommt es zu einer verminderten Expression von HD-5 und HD-6 und dadurch zu einer veränderten Zusammensetzung der Darmflora und zu einer schlechteren Barrierefunktion der Darmmukosa. Grundlage hierfür sind verschiedene genetische aber auch nicht- genetische Defekte, welche die Panethzellfunktion auf verschiedenen Ebenen beeinflussen. Der Wnt Signalweg spielt eine zentrale Rolle, wenn es darum geht die Homöostase im Darm aufrecht zu erhalten. Er hält die intestinalen Epithelzellen einerseits in einem proliferierenden Zustand, andererseits reguliert er die Differenzierung und das Ausreifen der Panethzellen. Ebenso ist er an der Regulation von HD-5 und -6 maßgeblich beteiligt. Unsere Arbeitsgruppe konnte bereits zeigen, dass es eine Verbindung zwischen der verminderten Expression von HD-5 und -6 und dem Wnt Transkriptionsfaktor TCF-4 gibt. Entzündungsunabhängig zeigen Patienten mit Morbus Crohn des Dünndarms eine verminderte TCF-4 Expression. Aber nicht nur TCF-4 ist betroffen, es konnte auch gezeigt werden, dass der Rezeptor LRP6 betroffen ist, welcher für die Stabilisierung von ß- Catenin im Cytoplasma essentiell ist. Untersuchungen zeigten eine verminderte Expression bei Morbus Crohn Patienten. Spannend sind auch die Ergebnisse genetischer Untersuchungen; im LRP6 Gen wurde ein Polymorphismus identifiziert, der in einer Untergruppe (Patienten >18) deutlich häufiger auftritt als in Gesunden. In der hier vorgestellten Arbeit wurde an diese Ergebnisse angeknüpft und die Folgen einer gestörten Panethzellfunktion, aber auch die Faktoren die potentiell dazu führen, weiter untersucht. Hierbei wurde ein Schwerpunkt auf die Patientenseite gelegt, aber auch die mikrobielle Seite wurde mithilfe von Modellen untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass LRP6 die Expression von HD-5 und -6 direkt reguliert während die Expression von LRP5, als ein Co-Rezeptor von LRP6, in Patienten kaum verändert ist und sich auch in vitro keine Hinweise auf eine direkte Regulation von HD-5 und -6 finden lassen. Ebenso zeigte sich, dass LRP5 sehr heterogen in mehreren untersuchten Populationen vorliegt und keine genetische Assoziation in allen untersuchten Subgruppen von Morbus Crohn vorliegt. Die Untersuchungen von TCF-1 zeigten eine erniedrigte Expression in Patienten mit Morbus Crohn des Dünndarms. Ergebnisse aus einem Knockout Mausmodell zeigten, dass ein TCF-1 Knockout zu einer niedrigeren Expression von Cryptdinen führt. Weiter konnte in einem Leberzirrhose- Tiermodel die Rolle antimikrobieller Substanzen weiter geklärt werden, da der hier auftretende Übertritt von kommensalen Bakterien durch das Darmepithel mit einer verminderten Expression einiger antimikrobieller Peptide erklärt werden konnte. Obwohl immer noch viele Faktoren, die in der Entstehung von Morbus Crohn des Dünndarms eine Rolle spielen unbekannt sind, konnte die hier vorliegende Arbeit neue Einblicke in die Mechanismen liefern, die das Aufrechterhalten der Balance zwischen Bakterien und Mensch im Dünndarm ermöglichen. Weiter wurde die wichtige Rolle des Wnt Signalwegs für die Entstehung von Morbus Crohn des Dünndarms unterstrichen. Hoffentlich ermöglichen diese weiteren Einblicke in die komplexe Pathogenese der Erkrankung eines Tages neue Ansätze für eine Therapie.