Abstract The mucin Muc2 is a major constituent of the mucus layer that covers the intestinal epithelium and creates a barrier between epithelial cells and luminal commensal or pathogenic microorganisms. The Gram-positive food-borne pathogen Listeria monocytogenes can cause enteritis and also disseminate from the intestine to give rise to systemic disease. L. monocytogenes can bind to intestinal Muc2, but the influence of the Muc2 mucin barrier on L. monocytogenes intestinal colonization and systemic dissemination has not been explored. Here, we used an orogastric L. monocytogenes infection model to investigate the role of Muc2 in host defense against L. monocytogenes . Compared to wild-type mice, we found that Muc2 -/- mice exhibited heightened susceptibility to orogastric challenge with L. monocytogenes , with higher mortality, elevated colonic pathology, and increased pathogen burdens in both the intestinal tract and distal organs. In contrast, L. monocytogenes burdens were equivalent in wild-type and Muc2 -/- animals when the pathogen was administered intraperitoneally, suggesting that systemic immune defects do not explain the heightened pathogen dissemination observed with oral infection route. Using a barcoded L. monocytogenes library to measure intra-host pathogen population dynamics, we found that Muc2 -/- animals had larger pathogen founding population sizes in the intestine and distal sites than observed in wild-type animals. Comparisons of barcode frequencies revealed that, in the absence of Muc2, the colon becomes the major source for seeding the internal organs. Together, our findings reveal that Muc2 limits L. monocytogenes dissemination from the intestinal tract and modulates its population dynamics during infection.

Abstract Transporter research primarily relies on the canonical substrates of well-established transporters. This approach has limitations when studying transporters for the low-abundant micromolecules, such as micronutrients, and may not reveal physiological functions of the transporters. While D-serine, a trace enantiomer of serine in the circulation, was discovered as an emerging biomarker of kidney function, its transport mechanisms in the periphery remain unknown. Here, using a multi-hierarchical approach from body fluids to molecules, combining multi-omics, cell-free synthetic biochemistry, and ex vivo transport analyses, we have identified two types of renal D-serine transport systems. We revealed that the small amino acid transporter ASCT2 serves as a D-serine transporter previously uncharacterized in the kidney and discovered D-serine as a noncanonical substrate of the sodium-coupled monocarboxylate transporters (SMCTs). These two systems are physiologically complementary, but ASCT2 dominates the role in the pathological condition. Our findings not only shed light on renal D-serine transport, but also clarify the importance of non-canonical substrate transport. This study provides a framework for investigating multiple transport systems of various trace micromolecules under physiological conditions and in multifactorial diseases.

Neural development requires metabolic adaptations that coincide with a functional shift from differentiation to neurotransmission. Serine metabolism provides essential metabolites for cellular growth and proliferation, and also produces neurotransmitters. However, how serine metabolism coordinates functional development of neurons remains unclear. Here, we report that neurons undergo metabolic transitions through an enantiomeric shift of serine during functional maturation. Developmental alterations of neural transcriptional profiles and serine enantiomers indicated that L- to D-serine conversion is a signature of neural maturation. Metabolomic analysis of neural progenitors revealed that D-serine decreases glycine synthesis, thereby suppressing one-carbon metabolism, in which L-serine is a crucial carbon donor. D-serine inhibits one-carbon metabolism by competing with transport of cytosolic L-serine to mitochondria, which restrains proliferation and triggers apoptosis of neural progenitors as well as neural tumor cells, but not mature neurons, in vitro and ex vivo. Thus, our findings suggest that the metabolic transition from L- to D-serine during neural maturation inhibits one-carbon metabolism essential for proliferation of immature neural cells, leading to acquisition of characteristics tailored to functional development toward neurotransmission.

Abstract The enteric nervous system (ENS) is a complex network of diverse molecularly defined classes of neurons embedded in the gastrointestinal wall and responsible for controlling the major functions of the gut. As in the central nervous system, the vast array of ENS neurons is interconnected by chemical synapses. Despite several studies reporting the expression of ionotropic glutamate receptors in the ENS, their roles in the gut remain elusive. Here, by using an array of immunohistochemistry, molecular profiling and functional assays, we uncover a new role for D-serine (D-Ser) and non-conventional GluN1-GluN3 N-methyl D-aspartate receptors (NMDARs) in regulating ENS functions. We demonstrate that D-Ser is produced by serine racemase (SR) expressed in enteric neurons. By using both in situ patch clamp recording and calcium imaging, we show that D-Ser alone acts as an excitatory neurotransmitter in the ENS independently of the conventional GluN1-GluN2 NMDARs. Instead, D-Ser directly gates the non-conventional GluN1-GluN3 NMDARs in enteric neurons from both mouse and guinea-pig. Pharmacological inhibition or potentiation of GluN1-GluN3 NMDARs had opposite effects on mouse colonic motor activities, while genetically driven loss of SR impairs gut transit and fluid content of pellet output. Our results demonstrate the existence of native GluN1-GluN3 NMDARs in enteric neurons and open new perspectives on the exploration of excitatory D-Ser receptors in gut function and diseases.