Nonalcoholic fatty liver disease (NAFLD) is a major worldwide health problem. Recent studies suggest that the gut microbiota influences NAFLD pathogenesis. Here, a murine model of high-fat diet–induced (HFD-induced) NAFLD was used, and the effects of alterations in the gut microbiota on NAFLD were determined. Mice treated with antibiotics or tempol exhibited altered bile acid composition, with a notable increase in conjugated bile acid metabolites that inhibited intestinal farnesoid X receptor (FXR) signaling. Compared with control mice, animals with intestine-specific Fxr disruption had reduced hepatic triglyceride accumulation in response to a HFD. The decrease in hepatic triglyceride accumulation was mainly due to fewer circulating ceramides, which was in part the result of lower expression of ceramide synthesis genes. The reduction of ceramide levels in the ileum and serum in tempol- or antibiotic-treated mice fed a HFD resulted in downregulation of hepatic SREBP1C and decreased de novo lipogenesis. Administration of C16:0 ceramide to antibiotic-treated mice fed a HFD reversed hepatic steatosis. These studies demonstrate that inhibition of an intestinal FXR/ceramide axis mediates gut microbiota–associated NAFLD development, linking the microbiome, nuclear receptor signaling, and NAFLD. This work suggests that inhibition of intestinal FXR is a potential therapeutic target for NAFLD treatment.

Abstract The farnesoid X receptor (FXR) regulates bile acid, lipid and glucose metabolism. Here we show that treatment of mice with glycine-β-muricholic acid (Gly-MCA) inhibits FXR signalling exclusively in intestine, and improves metabolic parameters in mouse models of obesity. Gly-MCA is a selective high-affinity FXR inhibitor that can be administered orally and prevents, or reverses, high-fat diet-induced and genetic obesity, insulin resistance and hepatic steatosis in mice. The high-affinity FXR agonist GW4064 blocks Gly-MCA action in the gut, and intestine-specific Fxr -null mice are unresponsive to the beneficial effects of Gly-MCA. Mechanistically, the metabolic improvements with Gly-MCA depend on reduced biosynthesis of intestinal-derived ceramides, which directly compromise beige fat thermogenic function. Consequently, ceramide treatment reverses the action of Gly-MCA in high-fat diet-induced obese mice. We further show that FXR signalling in ileum biopsies of humans positively correlates with body mass index. These data suggest that Gly-MCA may be a candidate for the treatment of metabolic disorders.

Autophagy and apoptosis are two evolutionarily conserved processes that regulate cell fate in response to cytotoxic stress. However, the functional relationship between these two processes remains far from clear. Here, we demonstrate an autophagy-dependent mechanism of caspase-8 activation and initiation of the apoptotic cascade in response to SKI-I, a pan-sphingosine kinase inhibitor, and bortezomib, a proteasome inhibitor. Autophagy is induced concomitantly with caspase-8 activation, which is responsible for initiation of the caspase cascade and the mitochondrial amplification loop that is required for full execution of apoptosis. Inhibition of autophagosome formation by depletion of Atg5 or Atg3 results in a marked suppression of caspase-8 activation and apoptosis. Although caspase-8 self-association depends on p62/SQSTM1, its self-processing requires the autophagosomal membrane. Caspase-8 forms a complex with Atg5 and colocalizes with LC3 and p62. Moreover, FADD, an adaptor protein for caspase-8 activation, associates with Atg5 on Atg16L- and LC3-positive autophagosomal membranes and loss of FADD suppresses cell death. Taken together, these results indicate that the autophagosomal membrane serves as a platform for an intracellular death-inducing signaling complex (iDISC) that recruits self-associated caspase-8 to initiate the caspase-8/-3 cascade.

Abstract Ligand activation of the aryl hydrocarbon (AHR) has profound effects upon the immunological status of the gastrointestinal tract, establishing and maintaining signaling networks, which facilitate host-microbe homeostasis at the mucosal interface. However, the identity of the ligand(s) responsible for such AHR-mediated activation within the gut remains to be firmly established. Here, we combine in vitro ligand binding, quantitative gene expression, protein-DNA interaction and ligand structure activity analyses together with in silico modeling of the AHR ligand binding domain to identify indole, a microbial tryptophan metabolite, as a human-AHR selective agonist. Human AHR, acting as a host indole receptor may exhibit a unique bimolecular (2:1) binding stoichiometry not observed with typical AHR ligands. Such bimolecular indole-mediated activation of the human AHR within the gastrointestinal tract may provide a foundation for inter-kingdom signaling between the enteric microflora and the immune system to promote commensalism within the gut.

The aryl hydrocarbon receptor (AHR) is a ligand-activated transcription factor involved in the regulation of multiple cellular pathways, such as xenobiotic metabolism and Th17 cell differentiation. Identification of key physiologically relevant ligands that regulate AHR function remains to be accomplished. Screening of indole metabolites has identified indoxyl 3-sulfate (I3S) as a potent endogenous ligand that selectively activates the human AHR at nanomolar concentrations in primary human hepatocytes, regulating transcription of multiple genes, including CYP1A1, CYP1A2, CYP1B1, UGT1A1, UGT1A6, IL6, and SAA1. Furthermore, I3S exhibits an ∼500-fold greater potency in terms of transcriptional activation of the human AHR relative to the mouse AHR in cell lines. Structure-function studies reveal that the sulfate group is an important determinant for efficient AHR activation. This is the first phase II enzymatic product identified that can significantly activate the AHR, and ligand competition binding assays indicate that I3S is a direct AHR ligand. I3S failed to activate either CAR or PXR. The physiological importance of I3S lies in the fact that it is a key uremic toxin that accumulates to high micromolar concentrations in kidney dialysis patients, but its mechanism of action is unknown. I3S represents the first identified relatively high potency endogenous AHR ligand that plays a key role in human disease progression. These studies provide evidence that the production of I3S can lead to AHR activation and altered drug metabolism. Our results also suggest that prolonged activation of the AHR by I3S may contribute to toxicity observed in kidney dialysis patients and thus represent a possible therapeutic target.

The aryl hydrocarbon receptor (AHR) is a ligand activated transcription factor that plays an integral role in homeostatic maintenance by regulating cellular functions such as cellular differentiation, metabolism, barrier function, and immune response. An important but poorly understood class of AHR activators are compounds derived from host and bacterial metabolism of tryptophan. The commensal bacteria of the gut microbiome are major producers of tryptophan metabolites known to activate the AHR, while the host also produces AHR activators through tryptophan metabolism. We used targeted mass spectrometry-based metabolite profiling to determine the presence and metabolic source of these metabolites in the sera of conventional mice, germ-free mice, and humans. Surprisingly, sera concentrations of many tryptophan metabolites are comparable between germ-free and conventional mice. Therefore, many major AHR-activating tryptophan metabolites in mouse sera are produced by the host, despite their presence in feces and mouse cecal contents. AHR activation is rarely studied in the context of a mixture at relevant concentrations, as we present here. The AHR activation potentials of individual and pooled metabolites were explored using cell-based assays, while ligand binding competition assays and ligand docking simulations were used to assess the detected metabolites as AHR agonists. The physiological and biomedical relevance of the identified metabolites was investigated in the context of cell-based models for cancer and rheumatoid arthritis. We present data here that reframe AHR biology to include the presence of ubiquitous tryptophan metabolites, improving our understanding of homeostatic AHR activity and models of AHR-linked diseases.

The aryl hydrocarbon receptor (AHR) mediates intestinal barrier homeostasis. Many AHR ligands are also CYP1A1/1B1 substrates, which can result in the rapid clearance within the intestinal tract, limiting AHR activation. This led us to the hypothesis that there are dietary substrates of CYP1A1/1B1 that increase the half-life of potent AHR ligands. We examined the potential of urolithin A (UroA) as a CYP1A1/1B1 substrate to enhance AHR activity in vivo. UroA is a competitive substrate for CYP1A1/1B1 in an in vitro competition assay. A broccoli-containing diet promotes the gastric formation of the potent hydrophobic AHR ligand and CYP1A1/1B1 substrate, 5,11-dihydroindolo[3,2-b]carbazole (ICZ). Dietary exposure to UroA in a broccoli diet led to a coordinated increase in duodenal, cardiac, and pulmonary AHR activity, but no increase in activity in liver. Thus, CYP1A1 dietary competitive substrates can lead to intestinal escape, likely through the lymphatic system, increasing AHR activation in key barrier tissues.

ABSTRACT Despite recent improvements in multiple myeloma (MM) treatment, MM remains an incurable disease and most patients experience a relapse. The major reason for myeloma recurrence is the persistent stem cell-like population. It has been demonstrated that overexpression of Bruton’s tyrosine kinase (BTK) in MM stem cell-like cells is correlated with drug resistance and poor prognosis. We have developed a novel small BTK inhibitor, KS151, which is unique compared to other BTK inhibitors. Unlike ibrutinib, and the other BTK inhibitors such as acalabrutinib, orelabrutinib, and zanubrutinib that covalently bind to the C481 residue in the BTK kinase domain, KS151 can inhibit BTK activities without binding to C481. This feature of KS151 is important because C481 becomes mutated in many patients and causes drug resistance. We demonstrated that KS151 inhibits in vitro BTK kinase activities and is more potent than ibrutinib. Furthermore, by performing a semi-quantitative, sandwich-based array for 71-tyrosine kinase phosphorylation, we found that KS151 specifically inhibits BTK. Our western blotting data showed that KS151 inhibits BTK signaling pathways and is effective against bortezomib-resistant cells as well as MM stem cell-like cells. Moreover, KS151 potentiates the apoptotic response of bortezomib, lenalidomide, and panobinostat in both MM and stem cell-like cells. Interestingly, KS151 inhibits stemness markers and is efficient in inhibiting Nanog and Gli1 stemness markers even when MM cells were co-cultured with bone marrow stromal cells (BMSCs). Overall, our results show that we have developed a novel BTK inhibitor effective against the stem cell-like population, and potentiates the response of chemotherapeutic agents.