Mikrobielle Regulation von Hexokinase 2 koordiniert mitochondrialen Metabolismus und Zelltod bei akuter Colitis

Einleitung Hexokinase (HK) katalysiert den ersten Schritt der Glykolyse und ist hierdurch geschwindigkeitslimitierend. HK2 ist in der Mucosa von Colitis Ulcerosa-Patienten verstärkt exprimiert [1]. Zusätzlich zu seiner metabolischen Funktion wurde HK2 als neuartiger Mustererkennungsrezeptor für bakterielles Peptidoglykan identifiziert [2].

Ziele Ziel der Studie war es, die Funktion von HK2 bei intestinaler Entzündung zu untersuchen, sowie die Rolle von HK2 für Wirt-Mikrobiota-Interaktionen im Darm zu charakterisieren.

Methodik Hierfür haben wir Mäuse mit einem konditionalen Knockout für Hk2 in intestinalen Epithelzellen (Hk2 ^ΔIEC) generiert und in einem Dextran-Sodium-Sulfat-Modell zur Induktion einer experimentellen Colitis getestet. Ebenso wurden intestinale Organoide aus Hk2 ^ΔIEC-Mäusen, eine mit CRISPR-Cas9 Hk2-deletierte Caco-2 Zelllinie (Caco-2 ^{ΔH k2}), sowie mit spezifischen Bakterien kolonisierte Mäuse genutzt.

Ergebnis Hk2 ^ΔIEC-Mäuse waren weniger anfällig gegenüber akuter Colitis, was mit vermindertem epithelialen Zelltod einherging. Die Expression von Peptidylprolylisomerase F (Ppif) zeigte sich als herunterreguliert. Ppif ist ein Bestandteil des mitochondrialen Porenkomplexes und beeinflusst im Zusammenhang mit HK2 eine Zelltod-Induktion. Eine metabolische Flussanalyse mittels Seahorse ergab, dass die mitochondriale Aktivität in Caco-2 ^ΔHk2 Zellen verändert war. Zusätzlich konnten wir zeigen, dass das intestinale Mikrobiom die HK2-Expression und Aktivität beeinflusst. Wir identifizierten den bakteriellen Metaboliten Butyrat als starken Repressor von Hk2 und Ppif. Eine Ernährungsintervention mit Butyrat während akuter Colitis reduzierte die Entzündungsreaktion und den epithelialen Zelltod in Abhängigkeit von HK2.

Schlussfolgerung Unsere Daten zeigen, dass die Deletion von HK2 im intestinalen Epithel protektiv ist. Der mikrobielle Metabolit Butyrat reprimiert die HK2 Expression und der bekannte protektive Effekt von Butyrat wird in Abhängigkeit von HK2 vermittelt.

Publication History

Article published online:
08 September 2020

• 1 Taman H. et al., Genome-wide DNA Methylation in Treatment-naive Ulcerative Colitis . J Crohns Colitis, 2018; 12 (11) : p. 1338-1347.
• 2 Wolf A.J. et al., Hexokinase Is an Innate Immune Receptor for the Detection of Bacterial Peptidoglycan . Cell, 2016; 166 (03) : p. 624-636.