Microbially generated protons mediate interkingdom host-microbiome cross-talk and maintain intestinal homeostasis via reciprocal functions of two proton-sensing GPCRs

Emory University, Atlanta GA

Investigators

Linked publications & trials

Abstract

Project  Summary:  Intestinal  damage  is  observed  in  inflammatory  bowel  disease  (IBD),  enteric  infections, as well as following surgical trauma, and environmental insults. Tissue restitution is a complex but  coordinated  cellular  process  to  repair  gut  mucosa.  We  recently  reported  that  the  intestinal  wound  microenvironment  specifically  enriches  a  mucosa-­associated  microbial  consortium,  which  enhanced  epithelial  wound healing. The advances in next generation gene sequencing have identified diverse microbial species and  metagenomes in the host;? however, to understand and exploit the potential of the microbiota?s >8 million genes  and their metabolic functions, application of the mass-­spectrometry-­based identification of small metabolites and  functional  characterization  by  the  methods  of  cell  biology  are  crucial.  Hence  this  proposed  study  will  lay  a  foundation for my rigorous training in metabolome and cell biology of gut barrier function. For this purpose, we  performed a preliminary analysis by mass spectrometry-­based global metabolomic profiling of intact and injured  mucosa  as  well  as  colon  of  germ-­free  and  conventional  mice.  We  found  an  elevated  synthesis  of  microbial  metabolites with low pKa, which are essential in establishing an extracellular pH gradient in the colonic crypts of  the conventional mice, but not in germfree mice. We also found that the colonic epithelial cells of conventional  mice express increased levels of proton-­sensing GPCRs (GPCR4 and GPCR68). Based on preliminary findings,  the working hypotheses of this project are: 1) the injured mucosal tissue and its associated microbiota produce  metabolites to regulate spatiotemporal changes in the proton concentration of the colon and thereby regulate  intestinal homeostasis and repair, 2) microbiota-­produced metabolites modulate proton concentration, which is  perceived by the proton-­sensing GPCRs of enterocytes to regulate gut permeability. Aim 1 is to confirm the role  of microbiota-­produced metabolites in regulating cellular proliferation & repair via proton-­sensing GPCR4 and  GPCR68 in the GPCR4-­/-­ and GPCR68-­/-­ mice, whose colonies are established in our animal facility. We will also  perform  the  metabolomic  profiling  and  RNA-­seq  analysis  of  the  colon  of  GPCR4-­/-­  and  GPCR68-­/-­  mice.  Furthermore, we will determine the metabolome of the injured mucosa in the germ-­free mouse. Specific Aim 2  will determine the function of the proton gradient & also the role of specific metabolites in the regulation of gut  permeability  by  tight-­junction.  Emory  University  boasts  an  intellectually  rich  research  environment  whose  resources will be used to carry out the proposed research as well as the mas-­spectrometry center located across  the town in Georgia Institute of Technology, Atlanta. The proposed research, in combination with a structured  team  of  mentor,  advisors,  and  collaborators  as  well  as  the  training  plan  that  includes  didactic  courses  and  workshops, is designed to facilitate my long-­term goal of developing an independently-­funded research program  in chronic gastrointestinal inflammatory diseases, such as IBD, consistent with the mission of the NIDDK.