Mitochondrial dysfunction is associated with inflammatory bowel diseases (IBDs). To understand how microbial-metabolic circuits contribute to intestinal injury, we disrupt mitochondrial function in the epithelium by deleting the mitochondrial chaperone, heat shock protein 60 (Hsp60

Abstract Mitochondrial dysfunction in intestinal epithelial cells (IECs) is associated with chronic inflammation. To understand how microbial-metabolic circuits contribute to tissue injury, we disrupt mitochondrial function in IECs by deleting heat shock protein 60 (Hsp60 Δ/ΔIEC ). While metabolic perturbation causes self-resolving tissue injury, regeneration is disrupted in the susceptible host (Hsp60 Δ/ΔIEC ; Il10 -/- ). Interestingly, metabolic injury induces microbial dysbiosis, including Bacteroides spp. expansion. Tissue pathology is absent in the distal colon of germfree (GF) Hsp60 Δ/ΔIEC mice, highlighting bacterial control of metabolic injury. In line, host tryptophan metabolism is rewired, and the absence of bacterial-mediated AhR signaling (Hsp60 Δ/ΔIEC ; AhR -/- ) causes severe acceleration of injury independent of IL-22. Furthermore, selective colonization of GF Hsp60 Δ/ΔIEC mice with OMM 12 induces metabolic injury and Bacteroides caecimuris expansion, which generates metabolic injury in mono-colonized mice. In conclusion, mitochondrial perturbation of the epithelium causes dysbiotic expansion of Bacteroides spp., supporting the concept that microbe-host cross-talk contributes to metabolic injury in intestinal inflammation. Graphical Abstract: Control of metabolic injury by microbial signals Hsp60 deletion is induced in intestinal epithelial cells leading to mitochondrial perturbation, causing a shift in colonocyte metabolism (1, 2) Intestinal crypts display loss of stemness and weakening of the mucus barrier accompanied by dysbiotic changes, notably expansion of Bacteroides spp. (3 – 6) The injury phenotype is accompanied by immune cell recruitment and loss of regulatory mechanisms in a colitis-susceptible model (7) AhR-dependent signals are critical to maintain balanced bacterial-metabolic circuits for tissue healing and homeostasis (8) Created with BioRender.com. D: day; Hsp60+: heat shock protein 60-positive; Lgr5+: leucine-rich repeat-containing G-protein coupled receptor 5-positive; AhR: aryl hydrocarbon receptor; OXPHOS: oxidative phosphorylation; MT-UPR: mitochondrial unfolded protein response; Trb3: tribbles pseudokinase 3; Ido1: indoleamine 2, 3-dioxygenase 1.

Abstract Background The incidence of Barrett esophagus (BE) and Gastroesophageal Adenocarcinoma (GEAC) correlates with obesity and a diet rich in fat. Bile acids (BA) support fat digestion and undergo microbial metabolization in the gut. The farnesoid X receptor (FXR) is an important modulator of the BA homeostasis. The capacity of inhibiting cancer-related processes when activated, make FXR an appealing therapeutic target. In this work, we assess the role of diet on the microbiota-BA axis and evaluate the role of FXR in disease progression. Results Here we show that high fat diet (HFD) accelerated tumorigenesis in L2-IL1B mice (BE- and GEAC- mouse model) while increasing BA levels and enriching gut microbiota that convert primary to secondary BA. While upregulated in BE, expression of FXR was downregulated in GEAC in mice and humans. In L2-IL1B mice, FXR knockout enhanced the dysplastic phenotype and increased Lgr5 progenitor cell numbers. Treatment of murine organoids and L2-IL1B mice with the FXR agonist obeticholic acid (OCA) deacelerated GEAC progression. Conclusion We provide a novel concept of GEAC carcinogenesis being accelerated via the diet-microbiome-metabolome axis and FXR inhibition on progenitor cells. Further, FXR activation protected with OCA ameliorated the phenotype in vitro and in vivo, suggesting that FXR agonists have potential as differentiation therapy in GEAC prevention. Statement of significance If its inhibition is linked to disease progression and its activation to cancer prevention, exploring the potential of FXR as a therapeutic target has great clinical relevance in GEAC context.

ABSTRACT Crohn’s disease (CD) is associated with changes in the microbiota, and murine models of CD-like ileo-colonic inflammation depend on the presence of microbial triggers. Increased abundance of unknown Clostridiales and the microscopic detection of filamentous structures close to the epithelium of Tnf ΔARE mice pointed towards segmented filamentous bacteria (SFB), a commensal well-known to induce the maturation of Th17 cell-derived immune responses that is highly implicated in the pathogenesis of IBD. We show that the abundance of SFB strongly correlates with the severity of CD-like ileal inflammation in Tnf ΔARE and SAMP/Yit mice. SFB mono-colonization of germ-free Tnf ΔARE mice confirmed the causal link and resulted in severe ileo-colonic inflammation, characterized by elevated tissue levels of Tnf and Il-17 , neutrophil infiltration and loss of Paneth and goblet cell function. Co-colonization of SFB in human-microbiota associated Tnf ΔARE mice confirmed that SFB presence is indispensable for disease development. Screening of 412 ileal and colonic mucosal biopsies from IBD patients using previously published and newly designed human SFB-specific primer sets showed no presence of SFB in human tissue samples. Simulating the protective effect of exclusive enteral nutrition (EEN) by feeding SFB mono-colonized Tnf ΔARE mice EEN-like purified diet antagonized SFB colonization and prevented disease development in Tnf ΔARE mice, clearly demonstrating the important role of diet in modulating this IBD-related but murine pathobiont.

Abstract Crohn’s Disease (CD) is incurable, and represents a lifelong burden for patients and its incidence is increasing worldwide. A key contributing factor is a dysregulated immune response. Here we report the generation of genome edited pigs with a deletion of the transcript-destabilizing AU-rich element (ARE) and a constitutive decay element (CDE) in the TNF gene which recapitulate major characteristics of human CD, including ulcerative transmural ileocolitis, increased abundance of proinflammatory cytokines, evidence for impaired integrity of the intestinal epithelial cell barrier, immune cell infiltration, and dysbiotic microbial communities. This physiologically relevant CD model enables human-scale and long-term studies to assess diagnostic, nutritional or microbial interventions, filling the gap for translating findings into the clinic.