A disturbance in the symbiotic mutualism between the intestinal microbiome and the human host’s organism (syn. dysbiosis) accompanies the development of a variety of inflammatory and metabolic diseases that comprise the Metabolic Syndrome, chronic inflammatory gut diseases like Crohn’s disease, Non-alcoholic fatty liver disease (NAFLD) and cardiovascular diseases, among others. The changed uptake and effectiveness of short chain fatty acids (SCFAs) as well as an increase of the intestinal permeability are common, interdependent disease elements in this regard. Short chain fatty acids are end-products of intestinal bacterial fermentation and affect the mucosal barrier integrity via numerous molecular mechanisms.
There is evidence to suggest, that SCFAs have a modulating influence on Signal transducer and activator of transcription 3 (STAT3) in intestinal epithelial cells. STAT3 is a central gene-transcription factor in signaling pathways of proliferation and inflammation. It can be activated by growth factors and other intercellular signaling molecules like the cytokine Oncostatin M (OSM). The mode of STAT3’s activation exhibits, finally, a decisive influence on the immunological balance at the intestinal mucosa. Therefore, the posttranslational modification of STAT3 under the influence of SCFAs is likely to be a very important factor within the development and -progression of dysbiosis-associated diseases.
In this study, a clear positive in vitro-effect of the short chain fatty acid butyrate on the posttranslational serine727-phosphorylation of STAT3 and its total protein amount in the human adenocarcinoma cell line CACO2 is verified. Moreover, an increased gene expression of the OSM-receptor subunit OSMRβ can be observed after butyrate incubation. Histone deacetylase inhibition is shown to have a predominant role in these effects. Furthermore, a subsequent p38 MAPK-activation by Butyrate is found to be a key molecular mechanism regarding the STAT3-phosphorylation at serine727-residues. To consider the portion of butyrate receptor signaling in this context in future assays, a CACO-2 cell 3D-culture model is introduced in which an improvement of the GPR109A-receptor expression in CACO-2 cells is accomplished. / Eine Störung der symbiotischen Wechselbeziehung zwischen dem Darmmikrobiom und dem Wirtsorganismus (syn. Dysbiose) begleitet die Entwicklung vieler verschiedener entzündlicher und metabolischer Erkrankungen. Zu ihnen zählen unter anderem das Metabolische Syndrom, chronisch entzündliche Darmerkrankungen wie M. Crohn, die Nicht-alkoholische Fettlebererkrankung (NAFLD) und kardiovaskuläre Erkrankungen. Eine veränderte Aufnahme und Wirkung von kurzkettigen Fettsäuren (Short-chain fatty acids = SCFAs) und eine Schwächung der Darmbarriere bedingen sich in diesem Zusammenhang gegenseitig. Kurzkettige Fettsäuren sind Endprodukte des bakteriellen Stoffwechsels und beeinflussen die Integrität der Darmbarriere über eine Vielzahl molekularer Mechanismen.
Es gibt Hinweise darauf, dass kurzkettige Fettsäuren einen modulierenden Einfluss auf „Signal transducer and activator of transcription 3“ (STAT3) in intestinalen epithelialen Zellen ausüben. STAT3 ist hier ein zentraler Gentranskriptionsfaktor in proliferations- und entzündungsregulierenden Zellsignalwegen. Er kann durch Wachstumsfaktoren und andere interzelluläre Botenstoffe, wie beispielsweise das Zytokin Oncostatin M (OSM), aktiviert werden. Die Art der Aktivierung von STAT3 wirkt sich nicht zuletzt entscheidend auf die immunologische Balance an der Darmbarriere aus. Die Modifikation von STAT3 durch kurzkettige Fettsäuren ist aufgrund dessen mit hoher Wahrscheinlichkeit ein sehr wichtiger Faktor im Hinblick auf Entstehung und Progression der im Zusammenhang mit einer Dysbiose stehenden Erkrankungen.
In dieser Arbeit kann eine klare Steigerung der posttranslationalen Phosphorylierung von STAT3 an den Serin-Molekülendungen der Position 727 sowie eine Steigerung der Gesamtproteinmenge von STAT3 in der humanen Karzinomzellline CACO2 in vitro durch Butyrat-Inkubation gezeigt werden. Weiterhin wird unter Butyrat-Einfluss auch die Genexpression der OSM-Rezeptor-Untereinheit OSMRβ gesteigert. Diese Effekte können größtenteils auf den Mechanismus der Histondeacetylase-Hemmung durch Butyrat zurückgeführt werden. Die in der Folge erhöhte P38 MAPK-Phosphorylierung durch Butyrat ist in Bezug auf die Serin727-Phosphorylierung an STAT3 entscheidend beteiligt. Um in künftigen Assays auch den möglichen Einfluss der Butyrat-Rezeptor-Wirkung in diesem Zusammenhang besser zu erfassen, wird ein 3D-Zellkultur Ansatz getestet und in diesem eine verbesserte Expression des Butyrat-Rezeptors GPR109A in CACO-2-Zellen erreicht.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:uni-wuerzburg.de/oai:opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de:30038 |
| Date | January 2023 |
| Creators | Läsker, Katharina |
| Source Sets | University of Würzburg |
| Language | English |
| Detected Language | German |
| Type | doctoralthesis, doc-type:doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
| Rights | https://creativecommons.org/licenses/by-nd/4.0/deed.de, info:eu-repo/semantics/openAccess |
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