SUMMARY Perturbed interactions between the intestinal microbes and host correlate with emergence of fungal virulence. Here we report a previously unknown role for peptide YY (PYY), a described endocrine molecule, as an antimicrobial peptide (AMP) expressed by gut immune epithelial Paneth Cells (PC). PC-PYY differs from other AMPs, including lysozyme, because of limited antibacterial activity, packaging in discrete secretory granules, and selective antifungal activity to virulent hyphae, but not yeast forms of Candida albicans . The latter action is through binding of cationic PC-PYY to the anionic hyphal surface, resulting in membrane disruption and killing. PC-PYY is compartmentalized to surface mucus, which optimizes activity and prevents conversion to endocrine PYY by dipeptidyl peptidase-IV (DPP-IV). We conclude PC-PYY is a unique AMP with selective antifungal activity that maintains gut fungal commensalism. Compromised PC-PYY action from PC dysfunction and/or mucus depletion in ileal Crohn’s disease may initiate or contribute to disease via fungal pathogenesis. Highlights ⍰ Paneth Cell PYY (PC-PYY) is an antimicrobial peptide that differs from endocrine-PYY ⍰ PC-PYY is a selective anti-fungal peptide, targeting the virulent form of C. albicans ⍰ PC-PYY is separately packaged, retained by mucus, and released by C. albicans hyphae ⍰ PC-PYY is proposed as essential for maintenance of fungal commensalism in the gut Graphical Abstract Model for Paneth cell (PC) PYY action and regulation of fungal commensalisms and potential role in the pathogenesis of ileal Crohn’s Disease (iCD) (A) In a healthy ileum, commensal yeast reside and do not stimulate PYY 1-36 release from PCs. (B) Increased virulent hyphae (purple hyphae) results in PYY 1-36 release from crypt PCs into the mucus. Hyphae are targeted by PYY 1-36 and killed (red hyphae) to manage the increased fungi community in gut. (C) In a diseased ileum such as iCD, hyphal load induces immune activation and increased inflammation through PC dysfunction (gray PCs) and decreased PYY 1-36 release or mucus depletion and PC dysfunction.

Mucosal barriers provide the first line of defense between internal body surfaces and microbial threats from the outside world. 1 In the colon, the barrier consists of two layers of mucus and a single layer of tightly interconnected epithelial cells supported by connective tissue and immune cells. 2 Microbes colonize the loose, outer layer of colonic mucus, but are essentially excluded from the tight, epithelial-associated layer by host defenses. 3 The amount and composition of the mucus is calibrated based on microbial signals and loss of even a single component of this mixture can destabilize microbial biogeography and increase the risk of disease. 4-7 However, the specific components of mucus, their molecular microbial targets, and how they work to contain the gut microbiota are still largely unknown. Here we show that high mobility group box 1 (HMGB1), the prototypical damage-associated molecular pattern molecule (DAMP), acts as an agent of host mucosal defense in the colon. HMGB1 in colonic mucus targets an evolutionarily conserved amino acid sequence found in bacterial adhesins, including the well-characterized Enterobacteriaceae adhesin FimH. HMGB1 aggregates bacteria and blocks adhesin-carbohydrate interactions, inhibiting invasion through colonic mucus and adhesion to host cells. Exposure to HMGB1 also suppresses bacterial expression of FimH. In ulcerative colitis, HMGB1 mucosal defense is compromised, leading to tissue-adherent bacteria expressing FimH. Our results demonstrate a new, physiologic role for extracellular HMGB1 that refines its functions as a DAMP to include direct, virulence limiting effects on bacteria. The amino acid sequence targeted by HMGB1 appears to be broadly utilized by bacterial adhesins, critical for virulence, and differentially expressed by bacteria in commensal versus pathogenic states. These characteristics suggest that this amino acid sequence is a novel microbial virulence determinant and could be used to develop new approaches to diagnosis and treatment of bacterial disease that precisely identify and target virulent microbes.

Abstract Mucosal healing following inflammatory injury is poorly understood and often neglected, despite being the best indicator of long-term outcomes in inflammatory bowel diseases. We report here that the enigmatic small molecular weight heat shock protein, Hsp25 (the human form is Hsp27), plays a vital role in converging microbial and host factors to promote pSTAT3-mediated mucosal healing. In wild type mice, the proximal-to-distal gradient of intestinal epithelial cell (IEC) Hsp25 expression is dependent on microbial cues. Patients with left-sided ulcerative colitis, however, show reduced levels of Hsp27 expression in both uninvolved and involved areas compared to normal colons of non-IBD patients. In mice with global or IEC-specific Hsp25 gene-targeted deletion, impaired mucosal healing with development of hallmarks of chronic disease are observed following DSS-induced or TNBS-induced colitis, whereas mucosal restitution is accelerated in IEC-specific overexpressing Hsp25 transgenic mice. In colonic IECs derived from these murine lines, Hsp25 binds and stabilizes a phospho-STAT3/YAP nuclear complex stimulated by IL-22 to sustain its wound healing gene programming. Thus, our findings provide insight into the mechanism of action of IEC Hsp25/27 in integrating host and microbial drivers of mucosal restitution, which can be leveraged to develop novel approaches for achieving and maintaining remission in complex immune disorders like IBD.