Abstract Bitter taste receptors (T2Rs) localize to airway motile cilia and initiate innate immune responses in retaliation to bacterial quorum sensing molecules (acyl-homoserine lactones and quinolones). Activation of T2Rs leads to calcium-driven NO production that increases cilia beating and directly kills bacteria. Several airway diseases, including chronic rhinosinusitis, COPD, and cystic fibrosis, are characterized by epithelial remodeling, including loss of motile cilia and/or squamous metaplasia. To understand the function of T2Rs within the altered landscape of airway disease, we studied T2Rs in non-ciliated airway cell lines and primary cells de-differentiated to a squamous phenotype. In differentiated cells, T2Rs localize to cilia, however in de-differentiated, non-ciliated cells they localize to the nucleus. Cilia and nuclear import utilize many shared proteins, thus in the absence of motile cilia some T2Rs may target to the nucleus. T2R agonists selectively elevated both nuclear and mitochondrial calcium through a G-protein-coupled receptor, phospholipase C, and InsP 3 receptor-dependent mechanism. Additionally, T2R agonists decreased nuclear cAMP, increased nitric oxide, and increased cGMP, consistent with T2R signaling. Furthermore, exposure to T2R agonists led to nuclear calcium-induced mitochondrial depolarization and caspase activation. T2R agonists induced apoptosis in primary bronchial and nasal cells differentiated at air-liquid interface but then induced to a squamous phenotype by apical submersion. Air-exposed well-differentiated cells did not die. This T2R-induced apoptosis may be a last-resort defense against infection, possibly when bacteria have breached the epithelial barrier and reach non-ciliated cells below. However, it may also increase susceptibility of de-differentiated or remodeled epithelia to damage by bacterial metabolites. Moreover, the T2R-activated apoptosis pathway occurs in airway cancer cells. T2Rs may thus contribute to microbiome-tumor cell crosstalk in airway cancers. T2R agonists may also be useful topical therapeutics (e.g., delivered by nasal rinse or nebulizer) for activating airway cancer cell apoptosis without killing surrounding differentiated tissue.

Abstract T1Rs are expressed in solitary chemosensory cells of the upper airway where they detect apical glucose levels and repress bitter taste receptor Ca2+ signaling pathways. Microbial growth leads to a decrease in apical glucose levels. T1Rs detect this change and liberate bitter taste receptor signaling, initiating an innate immune response to both kill and expel pathogens through releasing antimicrobial peptides and increasing nitric oxide production and ciliary beat frequency. However, chronic inflammation due to disease, smoking, or viral infections causes a remodeling of the airway epithelial. The resulting squamous metaplasia causes a loss of multi-ciliated cells and solitary chemosensory cells, replaced by basal epithelial cells. To understand how T1R function is altered during disease, we used basal epithelial cells as a model to study the function of T1R3 on Ca 2+ signaling dynamics. We found that both T1R1 and T1R3 detect amino acids and signal via cAMP, increasing the responsiveness of the cells to Ca 2+ signaling stimuli. Either knocking down T1R1/3 or treating wild-type cells with MEM amino acids caused a reduction in ER Ca 2+ content through a non-cAMP signaled pathway. Treatment with amino acids led to a reduction in downstream denatonium-induced Ca 2+ -signaled caspase activity. Thus, amino acids may be used to reduce unwanted apoptosis signaling in treatments containing bitter compounds.

Abstract Citrin deficiency (CD) is a recessive, liver disease caused by sequence variants in the SLC25A13 gene encoding a mitochondrial aspartate–glutamate transporter. CD manifests as different age‐dependent phenotypes and affects crucial hepatic metabolic pathways including malate–aspartate‐shuttle, glycolysis, gluconeogenesis, de novo lipogenesis and the tricarboxylic acid and urea cycles. Although the exact pathophysiology of CD remains unclear, impaired use of glucose and fatty acids as energy sources due to NADH shuttle defects and PPARα downregulation, respectively, indicates evident energy deficit in CD hepatocytes. The present review summarizes current trends on available and potential treatments for CD. Baseline recommendation for CD patients is dietary management, often already present as a self‐selected food preference, that includes protein and fat‐rich food, and avoidance of excess carbohydrates. At present, liver transplantation remains the sole curative option for severe CD cases. Our extensive literature review indicated medium‐chain triglycerides (MCT) as the most widely used CD treatment in all age groups. MCT can effectively improve symptoms across disease phenotypes by rapidly supplying energy to the liver, restoring redox balance and inducing lipogenesis. In contrast, sodium pyruvate restored glycolysis and displayed initial preclinical promise, with however limited efficacy in adult CD patients. Ursodeoxycholic acid, nitrogen scavengers and L ‐arginine treatments effectively address specific pathophysiological aspects such as cholestasis and hyperammonemia and are commonly administered in combination with other drugs. Finally, future possibilities including restoring redox balance, amino acid supplementation, enhancing bioenergetics, improving ureagenesis and mRNA/DNA‐based gene therapy are also discussed.

ABSTRACT BACKGROUND Bitter compounds increase ciliary beating and nitric oxide (NO) production in nasal epithelial cells through T2Rs in motile cilia. We examined expression of cilia T2Rs and both host and bacterial responses to T2R14 agonist diphenhydramine. METHOD Using cultured human nasal epithelial cells grown at air liquid interface, we measured expression of T2Rs via qPCR. We measured effects of diphenhydramine on ciliary beat frequency via high-speed imaging and nitric oxide production via fluorescent dye DAF-FM. We measured effects of diphenhydramine on growth of lab and clinical strains of Pseudomonas aeruginosa. We measured biofilm formation of P. aeruginosa using crystal violet staining and surface attachment of P. aeruginosa to cystic fibrosis bronchial epithelial (CBFE41o-) cells using CFU counting. RESULTS T2R expression increased with mucocilliary differentiation and did not vary between CF and non-CF ALIs. Treatment with P. aeruginosa flagellin decreased expression of diphenhydramine-responsive T2R14 and 40, among other isoforms. Diphenhydramine increased both NO and CBF. Increases in CBF were disrupted after flagellin treatment. Diphenhydramine impaired growth, biofilm production, and surface attachment of P. aeruginosa. CONCLUSIONS T2R expression is similar between normal and CF cells but decreases with flagellin treatment. Utilizing T2R agonists as therapeutics within the context of CF, P. aeruginosa infections may require co-treatment with anti-inflammatories to prevent the reduction of T2R expression with TLR activation. T2R agonist diphenhydramine increases NO production and CBF while also decreasing bacterial growth and biofilm production, and thus diphenhydramine or derivate compounds may have potential clinical usefulness in CF infections as a topical therapy. HIGHLIGHTS T2R14 agonist diphenhydramine increases nitric oxide production and cilia beating Flagellin decreases T2R14 expression in primary airway epithelial cells T2R14 agonist Diphenhydramine inhibits Pseudomonas growth and biofilm formation