Gut bacteria can affect key aspects of host fitness, such as development, fecundity, and lifespan, while the host, in turn, shapes the gut microbiome. However, it is unclear to what extent individual species versus community interactions within the microbiome are linked to host fitness. Here, we combinatorially dissect the natural microbiome of Drosophila melanogaster and reveal that interactions between bacteria shape host fitness through life history tradeoffs. Empirically, we made germ-free flies colonized with each possible combination of the five core species of fly gut bacteria. We measured the resulting bacterial community abundances and fly fitness traits, including development, reproduction, and lifespan. The fly gut promoted bacterial diversity, which, in turn, accelerated development, reproduction, and aging: Flies that reproduced more died sooner. From these measurements, we calculated the impact of bacterial interactions on fly fitness by adapting the mathematics of genetic epistasis to the microbiome. Development and fecundity converged with higher diversity, suggesting minimal dependence on interactions. However, host lifespan and microbiome abundances were highly dependent on interactions between bacterial species. Higher-order interactions (involving three, four, and five species) occurred in 13-44% of possible cases depending on the trait, with the same interactions affecting multiple traits, a reflection of the life history tradeoff. Overall, we found these interactions were frequently context-dependent and often had the same magnitude as individual species themselves, indicating that the interactions can be as important as the individual species in gut microbiomes.

Recent results from clinical trials with the BRAF inhibitors GSK2118436 (dabrafenib) and PLX4032 (vemurafenib) have shown encouraging response rates; however, the duration of response has been limited. To identify determinants of acquired resistance to GSK2118436 and strategies to overcome the resistance, we isolated GSK2118436 drug-resistant clones from the A375 BRAF(V600E) and the YUSIT1 BRAF(V600K) melanoma cell lines. These clones also showed reduced sensitivity to the allosteric mitogen-activated protein/extracellular signal-regulated kinase (MEK) inhibitor GSK1120212 (trametinib). Genetic characterization of these clones identified an in-frame deletion in MEK1 (MEK1(K59del)) or NRAS mutation (NRAS(Q61K) and/or NRAS(A146T)) with and without MEK1(P387S) in the BRAF(V600E) background and NRAS(Q61K) in the BRAF(V600K) background. Stable knockdown of NRAS with short hairpin RNA partially restored GSK2118436 sensitivity in mutant NRAS clones, whereas expression of NRAS(Q61K) or NRAS(A146T) in the A375 parental cells decreased sensitivity to GSK2118436. Similarly, expression of MEK1(K59del), but not MEK1(P387S), decreased sensitivity of A375 cells to GSK2118436. The combination of GSK2118436 and GSK1120212 effectively inhibited cell growth, decreased ERK phosphorylation, decreased cyclin D1 protein, and increased p27(kip1) protein in the resistant clones. Moreover, the combination of GSK2118436 or GSK1120212 with the phosphoinositide 3-kinase/mTOR inhibitor GSK2126458 enhanced cell growth inhibition and decreased S6 ribosomal protein phosphorylation in these clones. Our results show that NRAS and/or MEK mutations contribute to BRAF inhibitor resistance in vitro, and the combination of GSK2118436 and GSK1120212 overcomes this resistance. In addition, these resistant clones respond to the combination of GSK2126458 with GSK2118436 or GSK1120212. Clinical trials are ongoing or planned to test these combinations.

The objective of this study was to further establish and confirm the relationship of adipose mitochondrial biogenesis in diabetes/obesity and the effects of rosiglitazone (RSG), a peroxisome proliferator-activated receptor (PPAR) gamma agonist, by systematically analyzing mitochondrial gene expression and function in two mouse models of obesity and type 2 diabetes. Using microarray technology, adipose mitochondrial gene transcription was studied in db/db, high-fat diet-fed C57BL/6 (HFD) and respective control mice with or without RSG treatment. The findings were extended using mitochondrial staining, DNA quantification, and measurements of citrate synthase activity. In db/db and HFD mice, gene transcripts associated with mitochondrial ATP production, energy uncoupling, mitochondrial ribosomal proteins, outer and inner membrane translocases, and mitochondrial heat-shock proteins were decreased in abundance, compared with db/+ and standard-fat diet-fed control mice, respectively. RSG dose-dependently increased these transcripts in both db/db and HFD mice and induced transcription of mitochondrial structural proteins and cellular antioxidant enzymes responsible for removal of reactive oxygen species generated by increased mitochondrial activity. Transcription factors, including PPAR coactivator (PGC)-1beta, PGC-1alpha, estrogen-related receptor alpha, and PPARalpha, were suppressed in both models and induced by RSG. The effects of RSG on adipose mitochondrial genes were confirmed by quantitative RT-PCR and further supported by mitochondrial staining, mitochondrial DNA quantification, and citrate synthase activity. Adipose mitochondrial biogenesis was overwhelmingly suppressed in both mouse models of diabetes/obesity and globally induced by RSG. These findings suggest an important role of adipose mitochondria in diabetes/obesity and the potential for new treatment approaches targeting adipose mitochondria.

There is growing evidence that the microbes found in the digestive tracts of animals influence host biology, but we still do not understand how this comes about. Here, we evaluated how different microbial species commonly associated with laboratory-reared Drosophila melanogaster impact host biology at the level of gene expression in the dissected adult gut or the entire adult organism. We observed that guts from gnotobiotic animals associated from the embryonic stage with either zero, one or three bacterial species demonstrated indistinguishable transcriptional profiles. Additionally, we found that the gut transcriptional profiles of animals reared in the presence of the yeast Saccharomyces cerevisiae alone or in combination with bacteria could recapitulate those of conventionally-reared animals. In contrast, we found whole body transcriptional profiles of conventionally-reared animals were distinct from all of the gnotobiotic treatments tested. Our data suggest that adult flies are insensitive to the ingestion of different bacterial species but that prior to adulthood, different microbes impact the host in ways that lead to global transcriptional differences observable across the whole adult body.

Abstract Patients with traumatic brain injury (TBI) frequently exhibit heightened pain and associated complications such as cognitive decline, depression, and anxiety. GPR37 is widely expressed in various brain regions, but its function remains largely unclear. We recently discovered neuroprotectin D1 (NPD1) as a novel GPR37 ligand. In this study, we examined the protective role of the NPD1/GPR37 signaling pathway in TBI-induced neuropathic pain and its complications. TBI was induced by closed-head impact and resulted in transient neuropathic pain for less than two weeks, showing periorbital and cutaneous mechanical allodynia/hyperalgesia, as well as motor deficiency and cognitive impairment. We found that peri-surgical treatment with NPD1, effectively prevented TBI-induced mechanical hypersensitivity, motor deficiency, and cognitive impairment. NPD1 treatment also substantially inhibited TBI-induced microgliosis, astrogliosis (including A1 astrocyte markers), and neuroinflammation in the sensory cortex and hippocampus. RNA sequencing and GO enrichment analysis revealed downregulations of genes related to “calcium ion homeostasis,” and “GPCR signaling pathway” in the TBI-affected brain. These downregulations were restored by NPD1 treatment. RNAscope in situ hybridization revealed predominant Gpr37 mRNA expression in oligodendrocytes. TBI resulted in rapid and remarkable demyelination and downregulation of Gpr37 mRNA expression in oligodendrocytes, and both were protected by NPD1 treatment. NPD1’s inhibition of periorbital and cutaneous mechanical pain was abolished in Gpr37 -/- mice. Moreover, TBI-induced neuropathic pain was prolonged by swimming stress, and NPD1 treatment prevented the stress-induced transition from acute to chronic pain in wild-type mice but not Gpr37 -/- mice. Finally, chronic pain was associated with depression and anxiety, and NPD1 treatment mitigated these chronic pain complications through GPR37. Thus, through modulation of demyelination, diverse responses of glial cells, and neuroinflammation, the NPD1/GPR37 axis serves as a protective mechanism and a therapeutic target against painful traumatic brain injury and its complications.