ABSTRACT Background Colorectal cancer, one of the most common malignancies worldwide, is associated with a high mortality rate, mainly caused by metastasis. Comparative metagenome-wide analyses between healthy individuals and cancer patients suggest a role for the human intestinal microbiota. Nevertheless, which microbial molecules are involved in this communication is largely unknown, with current studies mainly focusing on short chain fatty acids and amino acid metabolites as potential mediators. However, quorum sensing peptides are not yet considered in this microbiome-host interaction: their in vivo presence nor any in vivo host-effect have been reported. Results For the first time, we showed that a quorum sensing peptide metabolite, EntF* produced by intestinal microbiota ( E. faecium ), is present in the blood circulation of mice. Moreover, it significantly promotes colorectal cancer metastasis in vivo , with metastatic lesions found in both liver and lung tissues, using an orthotopic mice model evaluating bioluminescence as well as macroscopic and microscopic presence of metastatic tumour nodules. In vitro tests on E-cadherin expression levels thereby indicated that the first, second, sixth and tenth amino acid of EntF* were critical for the epithelial-mesenchymal transition (EMT) effect, responsible for tumour metastasis. Conclusion This paper adds a new group of molecules, the quorum sensing peptides, as an additional causative factor explaining the microbiome-host interaction. The presence of a selected quorum sensing peptide (metabolite) in the mouse was proven for the first time and its in vivo effect on colorectal metastasis was demonstrated. We anticipate our in vivo results to be a starting point for broader microbiome-health investigations, not only limited to colorectal cancer metastasis, but also for developing novel bio-therapeutics in other disease areas, giving due attention to the QSP produced by the microbiome.

Abstract Background Quorum sensing peptides (QSPs) are bacterial peptides produced by Gram-positive bacteria to communicate with their peers in a cell-density dependent manner. These peptides do not only act as interbacterial communication signals, but can also have effects on the host. Compelling evidence demonstrates the presence of a gut-brain axis and more specifically, the role of the gut microbiota in microglial functioning. The aim of this study is to investigate microglial activating properties of a selected QSP (PapRIV) which is produced by Bacillus cereus species. Methods Gastro-intestinal transport of the peptide is investigated using the in vitro Caco-2 model while transport over the blood-brain barrier is investigated in mice using multiple time regression experiments. Microglial activation is assessed using ELISA, fluorometry, immunoblotting, qPCR and phase-contrast microscopy. In vivo plasma detection and ex vivo metabolization experiments are performed using UHPLC-MS 2 and UHPLC-UV/MS, respectively. Results PapRIV showed in vitro activating properties of BV-2 microglia cells and was able to cross the in vitro Caco-2 cell model and pass the blood-brain barrier in vivo . In vivo peptide presence was also demonstrated in mouse plasma. The peptide caused induction of IL-6, TNFα and ROS expression and increased the fraction of ameboid BV-2 microglia cells in an NF-κB dependent manner. Different metabolites were identified in serum, of which the main metabolite (DLPFEH) still remained active. Conclusions PapRIV is thus able to cross the gastro-intestinal tract and the blood-brain barrier and shows in vitro activating properties in BV-2 microglia cells, hereby indicating a potential role of this quorum sensing peptide in gut-brain interaction.