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

项目摘要：在炎症性肠病(IBD)、肠源性疾病中未观察到肠道损害。 感染，以及手术后的创伤、创伤和对环境的侮辱。组织修复是一项非常复杂的任务。 协调细胞免疫过程以修复肠道和粘膜。我们最近报道说，肠道损伤。 微环境特别是丰富了一个与粘膜相关的微生物群落，从而增强了上皮细胞。 伤口愈合。随着下一代基因测序技术的进展，人们已经确定了不同的微生物物种。 元基因组出现在新的宿主中；然而，;需要更好地了解它，并充分挖掘未来微生物群的800万个基因的潜在潜力。 以及它们的主要代谢产物功能，以及基于质谱学的小分子代谢物的鉴定方法的应用。 由细胞和生物学研究的新方法所提供的功能和表征是至关重要的。因此，这项新提出的研究计划将为进一步研究奠定基础。 基金会为我在代谢组和肠道屏障功能的代谢组和细胞生物学方面进行了严格的培训。为了这个目的，我们。 对完好无损的组织和受伤的组织进行了基于质谱学的全球生物代谢组学初步分析。 粘膜以及无菌小鼠和普通小鼠的结肠组织也是如此。我们发现它们的微生物合成能力明显提高。 代谢产物含有较低的pKA，这对于在结肠隐窝中建立一个良好的细胞外pH和pH梯度是必不可少的。 我们还发现，无菌小鼠的结肠上皮细胞和普通小鼠的结肠上皮细胞是相同的。 小鼠的GPCR4基因(GPCR4)和GPCR68基因(GPCR68)的质子感应水平明显升高。 这一项目的主要工作假设是：(1)使受伤的黏膜组织和与其相关的微生物群产生。 代谢物有助于调节结肠组织中质子浓度的时空变化，从而进行调节。 肠道的动态平衡和修复，2)微生物产生的代谢物调节质子的浓度，这是最重要的。 通过肠道细胞的质子感应和GPCRs信号来调节肠道的通透性。Aim的第一个目标是进一步证实这一作用。 许多微生物产生的代谢产物通过质子传感GPCR4基因和蛋白质参与调节细胞增殖和修复过程。 GPCR68参与了GPCR4和GPCR68-/-两只小鼠的研究，它们的主要群体已经在我们的全球动物保护设施中建立起来。我们还将继续。 对GPCR4--/-小鼠和GPCR68--/-小鼠的结肠组织进行蛋白质代谢谱分析和RNA-seq分析。 此外，我们还将进一步确定在无菌小鼠体内损伤的黏膜的主要代谢物。具体的研究目标是2。 这将决定质子和梯度代谢的主要功能，也将决定特定代谢产物在肠道的主要调控过程中的作用。 渗透性受到紧密连接的影响。埃默里州立大学拥有一个智力和智力都很丰富的研究和环境。 这些资源将被广泛用于开展新提出的信息研究中心，以及位于中国各地的核磁共振波谱研究中心。 这座小镇位于亚特兰大的佐治亚州理工学院。该研究所提出了一项研究，将其与一项结构化的研究相结合。 由导师、教师顾问、团队成员和团队合作者组成的团队以及包括教学课程和培训课程在内的培训计划。 研讨会的目的是为了更好地促进我的长期目标目标的实现，即开发一个独立资助的全球研究开发项目。 在慢性、胃肠道和炎症性疾病方面，如IBD，与美国NIDDK的使命目标是一致的。

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.