ABSTRACT Intestinal progenitor cells integrate signals from their niche, and from the gut lumen, to divide and differentiate at a rate that maintains an epithelial barrier to microbial invasion of the host interior. Despite the importance of evolutionarily conserved innate immune defenses to maintain stable host-microbiota relationships, we know little about specific contributions of stem cell immunity to gut homeostasis. We used the Drosophila model to determine the consequences of compromised intestinal stem cell immune activity for epithelial homeostasis. We showed that loss of stem cell immunity greatly impacted growth and renewal in the adult gut. In particular, we noticed that inhibition of stem cell immunity impeded key growth and differentiation events in the progenitor cell compartment leading to a gradual loss of stem cell numbers with age, and an impaired differentiation of mature enteroendocrine cells. Our results highlight the importance of immune signaling in the stem cell population for epithelial function in the adult gut. HIGHLIGHTS The TNFR-like Immune Deficiency (IMD) pathway is active in Drosophila intestinal progenitor cells. Inhibition of IMD in progenitors impairs progenitor cell proliferation. Blocking progenitor cell IMD negatively affects generation of mature epithelial cells.

ABSTRACT Immune signals coordinate the repair of damaged epithelia by intestinal stem cells. However, it is unclear if immune pathways act autonomously within the stem cell to direct the damage response pathway. We consider this an important question, as stem cell dynamics are essential for formation and maintenance of the entire epithelium. We used Drosophila to determine the impact of stem cell-specific loss of NF-κB on tissue regeneration upon chemical injury. We found that loss of NF-κB enhanced cell death, impaired enterocyte renewal and increased mortality. Mechanistically, we showed that the Ras/ERK pathway is essential for NF-κB-dependent maintenance of cell viability and tissue repair. Combined, our data demonstrate that stem cell-intrinsic NF-κB activity is essential for an orderly repair of damaged intestinal epithelia.

Commensal bacteria regulate the growth and differentiation of intestinal epithelial cells. Deregulated growth compromises the efficacy of critical repair pathways, and promotes tissue dysplasia and tumorigenesis. Despite the importance of bacteria-derived cues for tissue homeostasis, we know little about how intestinal commensals directly influence stem cell division programs. In this study, we examined the effects of common fly symbionts on tissue growth and tumorigenesis in the Drosophila intestine. We identified the cell wall of Lactobacillus brevis as a potent stimulator of Notch-deficient tumor growth. Our work uncovered a complex feed-forward loop between tumor growth and intestinal colonization by L. brevis. Mechanistically, we showed that L. brevis disrupts the expression and apicobasal distribution of integrins in intestinal progenitors, and supports an increase in stem cell numbers characterized by elevated numbers of symmetric stem cell divisions. Collectively, this work highlights host-commensal interactions that influence intestinal growth and stem cell division.

Pathogen-mediated damage to the intestinal epithelium activates compensatory growth and differentiation repair programs in progenitor cells. Accelerated progenitor growth replenishes damaged tissue and maintains barrier integrity. Despite the importance of epithelial renewal to intestinal homeostasis, we know little about the effects of pathogen-commensal interactions on progenitor growth. We found that the enteric pathogen Vibrio cholerae, blocks critical growth and differentiation pathways in Drosophila progenitors despite extensive damage to the epithelial tissue. We showed that inhibition of epithelial repair requires interactions of the Vibrio cholerae type six secretion system with a complex community of symbiotic bacteria, and that elimination of the gut microbiome is sufficient to restore homeostatic growth in infected intestines. Together, this work highlights the importance of pathogen-symbiont interactions on intestinal immune responses and outlines a previously undescribed impact of the type six secretion system on pathogenesis.

Gut innate immune defenses contain bacterial populations and protect the host interior from invasive microbes. Although excess intestinal immune activity frequently promotes inflammatory illnesses, we know little about the consequences of chronic innate immune activity exclusively in endodermal gut cells of an otherwise normal animal. To address this question, we generated a transgenic line that allows us to activate inflammatory signals in adult fly intestinal progenitor cells. We found that constitutive immune activity in intestinal progenitors disrupts expression of homeostatic regulators such as Notch signal transduction pathway components and induces hyperplasia throughout the gut. Consistent with these observations, we found that persistent immune signaling interferes with progenitor cell differentiation and exacerbates the formation of Notch-dependent intestinal tumors. These findings uncover a novel link between constitutive immune activity and tumorigenesis in intestinal stem cells.

Immune and metabolic pathways collectively influence host responses to microbial invaders, and mutations in one pathway frequently disrupt activity in the other. We used the Drosophila model to characterize metabolic homeostasis in flies with modified Immune Deficiency (IMD) pathway activity. The IMD pathway is very similar to the mammalian Tumor Necrosis Factor-alpha pathway, a key regulator of vertebrate immunity and metabolism. We found that persistent activation of IMD resulted in hyperglycemia, depleted fat reserves, and developmental delays, implicating IMD in metabolic regulation. Consistent with this hypothesis, we found that imd mutants weigh more, are hyperlipidemic, and have impaired glucose tolerance. To test the importance of metabolic regulation for host responses to bacterial infection, we challenged insulin pathway mutants with lethal doses of several Drosophila pathogens. We found that loss-of-function mutations in the insulin pathway impacted host responses to infection in a manner that depends on the route of infection, and the identity of the infectious microbe. Combined, our results support a role for coordinated regulation of immune and metabolic pathways in host containment of microbial invaders.