Debugging Metabolic Disease Obesity, now officially recognized as an epidemic in many developed nations, is a key component of “metabolic syndrome,” an array of metabolic disturbances that increase an individual's risk of developing diabetes and heart disease. The rise in obesity rates has been largely attributed to the growing imbalance between food intake and energy expenditure, but recent provocative work has suggested a possible link between obesity and the composition of microbes residing within the gut. Vijay-Kumar et al. (p. 228 , published online 4 March; see the Perspective by Sandoval and Seeley ) now find that mutant mice deficient in a component of the innate immune system (which defends the body against microbial pathogens) develop hallmark features of metabolic syndrome, accompanied by changes in gut microbiota. Notably, transfer of gut microbiota from the mutant mice to wild-type mice conferred several features of metabolic syndrome to the recipients. Thus, the development of metabolic syndrome may indeed be influenced by gut microbes that are regulated by the innate immune system.

The intestinal tract is inhabited by a large and diverse community of microbes collectively referred to as the gut microbiota. While the gut microbiota provides important benefits to its host, especially in metabolism and immune development, disturbance of the microbiota-host relationship is associated with numerous chronic inflammatory diseases, including inflammatory bowel disease and the group of obesity-associated diseases collectively referred to as metabolic syndrome. A primary means by which the intestine is protected from its microbiota is via multi-layered mucus structures that cover the intestinal surface, thereby allowing the vast majority of gut bacteria to be kept at a safe distance from epithelial cells that line the intestine. Thus, agents that disrupt mucus-bacterial interactions might have the potential to promote diseases associated with gut inflammation. Consequently, it has been hypothesized that emulsifiers, detergent-like molecules that are a ubiquitous component of processed foods and that can increase bacterial translocation across epithelia in vitro, might be promoting the increase in inflammatory bowel disease observed since the mid-twentieth century. Here we report that, in mice, relatively low concentrations of two commonly used emulsifiers, namely carboxymethylcellulose and polysorbate-80, induced low-grade inflammation and obesity/metabolic syndrome in wild-type hosts and promoted robust colitis in mice predisposed to this disorder. Emulsifier-induced metabolic syndrome was associated with microbiota encroachment, altered species composition and increased pro-inflammatory potential. Use of germ-free mice and faecal transplants indicated that such changes in microbiota were necessary and sufficient for both low-grade inflammation and metabolic syndrome. These results support the emerging concept that perturbed host-microbiota interactions resulting in low-grade inflammation can promote adiposity and its associated metabolic effects. Moreover, they suggest that the broad use of emulsifying agents might be contributing to an increased societal incidence of obesity/metabolic syndrome and other chronic inflammatory diseases.

Abstract Flagellin, the structural component of bacterial flagella, is secreted by pathogenic and commensal bacteria. Flagellin activates proinflammatory gene expression in intestinal epithelia. However, only flagellin that contacts basolateral epithelial surfaces is proinflammatory; apical flagellin has no effect. Pathogenic Salmonella, but not commensal Escherichia coli, translocate flagellin across epithelia, thus activating epithelial proinflammatory gene expression. Investigating how epithelia detect flagellin revealed that cell surface expression of Toll-like receptor 5 (TLR5) conferred NF-κB gene expression in response to flagellin. The response depended on both extracellular leucine-rich repeats and intracellular Toll/IL-1R homology region of TLR5 as well as the adaptor protein MyD88. Furthermore, immunolocalization and cell surface-selective biotinylation revealed that TLR5 is expressed exclusively on the basolateral surface of intestinal epithelia, thus providing a molecular basis for the polarity of this innate immune response. Thus, detection of flagellin by basolateral TLR5 mediates epithelial-driven inflammatory responses to Salmonella.

Epithelia of the vertebrate intestinal tract characteristically maintain an inflammatory hyporesponsiveness toward the lumenal prokaryotic microflora. We report the identification of enteric organisms (nonvirulent Salmonella strains) whose direct interaction with model human epithelia attenuate synthesis of inflammatory effector molecules elicited by diverse proinflammatory stimuli. This immunosuppressive effect involves inhibition of the inhibitor κB/nuclear factor κB (IκB/NF-κB) pathway by blockade of IκB-α degradation, which prevents subsequent nuclear translocation of active NF-κB dimer. Although phosphorylation of IκB-α occurs, subsequent polyubiquitination necessary for regulated IκB-α degradation is completely abrogated. These data suggest that prokaryotic determinants could be responsible for the unique tolerance of the gastrointestinal mucosa to proinflammatory stimuli.

Objective

 The inner mucus layer in mouse colon normally separates bacteria from the epithelium. Do humans have a similar inner mucus layer and are defects in this mucus layer a common denominator for spontaneous colitis in mice models and ulcerative colitis (UC)? 

Methods and results

 The colon mucus layer from mice deficient in Muc2 mucin, Core 1 O-glycans, Tlr5, interleukin 10 (IL-10) and Slc9a3 (Nhe3) together with that from dextran sodium sulfate-treated mice was immunostained for Muc2, and bacterial localisation in the mucus was analysed. All murine colitis models revealed bacteria in contact with the epithelium. Additional analysis of the less inflamed IL-10^−/− mice revealed a thicker mucus layer than wild-type, but the properties were different, as the inner mucus layer could be penetrated both by bacteria in vivo and by fluorescent beads the size of bacteria ex vivo. Clear separation between bacteria or fluorescent beads and the epithelium mediated by the inner mucus layer was also evident in normal human sigmoid colon biopsy samples. In contrast, mucus on colon biopsy specimens from patients with UC with acute inflammation was highly penetrable. Most patients with UC in remission had an impenetrable mucus layer similar to that of controls. 

Conclusions

 Normal human sigmoid colon has an inner mucus layer that is impenetrable to bacteria. The colon mucus in animal models that spontaneously develop colitis and in patients with active UC allows bacteria to penetrate and reach the epithelium. Thus colon mucus properties can be modulated, and this suggests a novel model of UC pathophysiology.

Toll-like receptors (TLR) are pattern recognition receptors that recognize conserved molecular patterns on microbes and link innate and adaptive immune systems. We investigated whether the enhanced susceptibility to bacterial, yeast, and viral infections and poor adaptive immune responses in aging are a result of diminished expression and function of TLRs. We examined the expression and function of all murine TLRs on macrophages from young and aged mice. Both splenic and activated peritoneal macrophages from aged mice expressed significantly lower levels of all TLRs. Furthermore, macrophages from aged mice secreted significantly lower levels of IL-6 and TNF-alpha when stimulated with known ligands for TLR1 and 2, 2 and 6,TLR3, TLR4, TLR5, and TLR9 when compared with those from young mice. These results support the concept that increased susceptibility to infections and poor adaptive immune responses in aging may be due to the decline in TLR expression and function.

Systems biological analysis of immunity to the trivalent inactivated influenza vaccine (TIV) in humans revealed a correlation between early expression of TLR5 and the magnitude of the antibody response. Vaccination of Trl5−/− mice resulted in reduced antibody titers and lower frequencies of plasma cells, demonstrating a role for TLR5 in immunity to TIV. This was due to a failure to sense host microbiota. Thus, antibody responses in germ-free or antibiotic-treated mice were impaired, but restored by oral reconstitution with a flagellated, but not aflagellated, strain of E. coli. TLR5-mediated sensing of flagellin promoted plasma cell differentiation directly and by stimulating lymph node macrophages to produce plasma cell growth factors. Finally, TLR5-mediated sensing of the microbiota also impacted antibody responses to the inactivated polio vaccine, but not to adjuvanted vaccines or the live-attenuated yellow fever vaccine. These results reveal an unappreciated role for gut microbiota in promoting immunity to vaccination.

A eubiotic microbiota influences many physiological processes in the metazoan host, including development and intestinal homeostasis. Here, we have shown that the intestinal microbiota modulates inflammatory responses caused by sex steroid deficiency, leading to trabecular bone loss. In murine models, sex steroid deficiency increased gut permeability, expanded Th17 cells, and upregulated the osteoclastogenic cytokines TNFα (TNF), RANKL, and IL-17 in the small intestine and the BM. In germ-free (GF) mice, sex steroid deficiency failed to increase osteoclastogenic cytokine production, stimulate bone resorption, and cause trabecular bone loss, demonstrating that the gut microbiota is central in sex steroid deficiency–induced trabecular bone loss. Furthermore, we demonstrated that twice-weekly treatment of sex steroid–deficient mice with the probiotics Lactobacillus rhamnosus GG (LGG) or the commercially available probiotic supplement VSL#3 reduces gut permeability, dampens intestinal and BM inflammation, and completely protects against bone loss. In contrast, supplementation with a nonprobiotic strain of E. coli or a mutant LGG was not protective. Together, these data highlight the role that the gut luminal microbiota and increased gut permeability play in triggering inflammatory pathways that are critical for inducing bone loss in sex steroid–deficient mice. Our data further suggest that probiotics that decrease gut permeability have potential as a therapeutic strategy for postmenopausal osteoporosis.

Abstract Circadian rhythms modulate nearly every mammalian physiological process. Chronic disruption of circadian timing in shift work or during chronic jet lag in animal models leads to a higher risk of several pathologies. Many of these conditions in both shift workers and experimental models share the common risk factor of inflammation. In this study, we show that experimentally induced circadian disruption altered innate immune responses. Endotoxemic shock induced by LPS was magnified, leading to hypothermia and death after four consecutive weekly 6-h phase advances of the light/dark schedule, with 89% mortality compared with 21% in unshifted control mice. This may be due to a heightened release of proinflammatory cytokines in response to LPS treatment in shifted animals. Isolated peritoneal macrophages harvested from shifted mice exhibited a similarly heightened response to LPS in vitro, indicating that these cells are a target for jet lag. Sleep deprivation and stress are known to alter immune function and are potential mediators of the effects we describe. However, polysomnographic recording in mice exposed to the shifting schedule revealed no sleep loss, and stress measures were not altered in shifted mice. In contrast, we observed altered or abolished rhythms in the expression of clock genes in the central clock, liver, thymus, and peritoneal macrophages in mice after chronic jet lag. We conclude that circadian disruption, but not sleep loss or stress, are associated with jet lag-related dysregulation of the innate immune system. Such immune changes might be a common mechanism for the myriad negative health effects of shift work.

Summary

 Colitis results from breakdown of homeostasis between intestinal microbiota and the mucosal immune system, with both environmental and genetic influencing factors. Flagellin receptor TLR5-deficient mice (T5KO) display elevated intestinal proinflammatory gene expression and colitis with incomplete penetrance, providing a genetically sensitized system to study the contribution of microbiota to driving colitis. Both colitic and noncolitic T5KO exhibited transiently unstable microbiotas, with lasting differences in colitic T5KO, while their noncolitic siblings stabilized their microbiotas to resemble wild-type mice. Transient high levels of proteobacteria, especially enterobacteria species including E. coli, observed in close proximity to the gut epithelium were a striking feature of colitic microbiota. A Crohn's disease-associated E. coli strain induced chronic colitis in T5KO, which persisted well after the exogenously introduced bacterial species had been eliminated. Thus, an innate immune deficiency can result in unstable gut microbiota associated with low-grade inflammation, and harboring proteobacteria can drive and/or instigate chronic colitis.