Innate lymphoid cells (ILCs) and CD4+ T cells produce IL-22, which is critical for intestinal immunity. The microbiota is central to IL-22 production in the intestines; however, the factors that regulate IL-22 production by CD4+ T cells and ILCs are not clear. Here, we show that microbiota-derived short-chain fatty acids (SCFAs) promote IL-22 production by CD4+ T cells and ILCs through G-protein receptor 41 (GPR41) and inhibiting histone deacetylase (HDAC). SCFAs upregulate IL-22 production by promoting aryl hydrocarbon receptor (AhR) and hypoxia-inducible factor 1α (HIF1α) expression, which are differentially regulated by mTOR and Stat3. HIF1α binds directly to the Il22 promoter, and SCFAs increase HIF1α binding to the Il22 promoter through histone modification. SCFA supplementation enhances IL-22 production, which protects intestines from inflammation. SCFAs promote human CD4+ T cell IL-22 production. These findings establish the roles of SCFAs in inducing IL-22 production in CD4+ T cells and ILCs to maintain intestinal homeostasis.

T-cells are crucial in maintanence of intestinal homeostasis, however, it is still unclear how microbiota metabolites regulate T-effector cells. Here we show gut microbiota-derived short-chain fatty acids (SCFAs) promote microbiota antigen-specific Th1 cell IL-10 production, mediated by G-protein coupled receptors 43 (GPR43). Microbiota antigen-specific Gpr43-/- CBir1 transgenic (Tg) Th1 cells, specific for microbiota antigen CBir1 flagellin, induce more severe colitis compared with wide type (WT) CBir1 Tg Th1 cells in Rag-/- recipient mice. Treatment with SCFAs limits colitis induction by promoting IL-10 production, and administration of anti-IL-10R antibody promotes colitis development. Mechanistically, SCFAs activate Th1 cell STAT3 and mTOR, and consequently upregulate transcription factor B lymphocyte-induced maturation protein 1 (Blimp-1), which mediates SCFA-induction of IL-10. SCFA-treated Blimp1-/- Th1 cells produce less IL-10 and induce more severe colitis compared to SCFA-treated WT Th1 cells. Our studies, thus, provide insight into how microbiota metabolites regulate Th1 cell functions to maintain intestinal homeostasis.

The antimicrobial peptides (AMP) produced by intestinal epithelial cells (IEC) play crucial roles in the regulation of intestinal homeostasis by controlling microbiota. Gut microbiota has been shown to promote IEC expression of RegIIIγ and certain defensins. However, the mechanisms involved are still not completely understood. In this report, we found that IEC expression levels of RegIIIγ and β-defensins 1, 3, and 4 were lower in G protein-coupled receptor (GPR)43−/− mice compared to that of wild-type (WT) mice. Oral feeding with short-chain fatty acids (SCFA) promoted IEC production of RegIIIγ and defensins in mice. Furthermore, SCFA induced RegIIIγ and β-defensins in intestinal epithelial enteroids generated from WT but not GPR43−/− mice. Mechanistically, SCFA activated mTOR and STAT3 in IEC, and knockdown of mTOR and STAT3 impaired SCFA induction of AMP production. Our studies thus demonstrated that microbiota metabolites SCFA promoted IEC RegIIIγ and β-defensins in a GPR43-dependent manner. The data thereby provide a novel pathway by which microbiota regulates IEC expression of AMP and intestinal homeostasis.

Intestinal IgA, which is regulated by gut microbiota, has a crucial role in maintenance of intestinal homeostasis and in protecting the intestines from inflammation. However, the means by which microbiota promotes intestinal IgA responses remain unclear. Emerging evidence suggests that the host can sense gut bacterial metabolites in addition to pathogen-associated molecular patterns and that recognition of these small molecules influences host immune response in the intestines and beyond. We reported here that microbiota metabolite short-chain fatty acid acetate promoted intestinal IgA responses, which was mediated by "metabolite-sensing" GPR43. GPR43-/- mice demonstrated lower levels of intestinal IgA and IgA+ gut bacteria compared with those in wild type (WT) mice. Feeding WT but not GPR43-/- mice acetate but not butyrate promoted intestinal IgA response independent of T cells. Acetate promoted B-cell IgA class switching and IgA production in vitro in the presence of WT but not GPR43-/- dendritic cells (DCs). Mechanistically, acetate-induced DC expression of Aldh1a2, which converts Vitamin A into its metabolite retinoic acid (RA). Moreover, blockade of RA signaling inhibited the acetate induction of B-cell IgA production. Our studies thus identified a new pathway by which microbiota promotes intestinal IgA response through its metabolites.

Abstract Phospholipids are ligands for nuclear hormone receptors (NRs) and regulate transcriptional programs relevant to normal physiology and disease. Here, we demonstrate that mimicking phospholipid-NR interactions greatly improves agonists of liver receptor homolog-1 (LRH-1), a promising therapeutic target for diabetes and colitis. Conventional LRH-1 modulators partially occupy the binding pocket, leaving vacant a region important for phospholipid binding and allostery. Therefore, we constructed a set of hybrid molecules with elements of natural phospholipids appended to a synthetic LRH-1 agonist. The phospholipid-mimicking group improves binding affinity, increases LRH-1 transcriptional activity, promotes coregulator recruitment, and interacts with the targeted LRH-1 residues in crystal structures. The best new agonist markedly improves colonic histopathology and disease-related weight loss in a humanized LRH-1 murine T-cell transfer model of colitis. This is the first evidence of in vivo efficacy for an LRH-1 modulator in colitis, a leap forward in agonist development.

Bile acids (BAs) are lipid emulsifying metabolites synthesized in hepatocytes and maintained in vivo through enterohepatic circulation between the liver and small intestine 1 . As detergents, BAs can cause toxicity and inflammation in enterohepatic tissues 2 . Nuclear receptors maintain BA homeostasis in hepatocytes and enterocytes 3 , but it is unclear how mucosal immune cells tolerate high BA concentrations in the small intestine lamina propria (siLP). We previously reported that CD4 + T effector (Teff) cells upregulate expression of the xenobiotic transporter MDR1/ ABCB1 in the siLP to prevent BA toxicity and suppress Crohn’s disease-like small bowel inflammation 4 . Here, we identify the nuclear xenobiotic receptor, constitutive androstane receptor (CAR/ NR1I3 ), as a regulator of MDR1 expression in T cells, and safeguard against BA toxicity and inflammation in the small intestine. CAR was activated and induced large-scale transcriptional reprograming in Teff cells infiltrating the siLP, but not the colon. CAR induced expression of detoxifying enzymes and transporters in siLP Teff cells, as in hepatocytes, but also the key anti-inflammatory cytokine, Il10 . Accordingly, CAR-deficiency in T cells exacerbated, whereas pharmacologic CAR activation suppressed, BA-driven ileitis in T cell-reconstituted Rag −/− mice. These data suggest that CAR acts locally in small intestinal T cells to detoxify BAs and resolve inflammation. Activation of this program offers an unexpected strategy to treat small bowel Crohn’s disease, and provides evidence of lymphocyte sub-specialization within the small intestine.

As a key regulator of metabolism and inflammation, the orphan nuclear hormone receptor, Liver Receptor Homolog-1 (LRH-1), has potential as a therapeutic target for diabetes, nonalcoholic fatty live disease, and inflammatory bowel diseases. Discovery of LRH-1 modulators has been difficult, in part due to the tendency for synthetic compounds to bind unpredictably within the lipophilic binding pocket. Using a structure-guided approach, we exploited a newly-discovered polar interaction to lock agonists in a consistent orientation. This enabled the discovery of the first low nanomolar LRH-1 agonist, one hundred times more potent than the best previous modulator. We elucidate a novel mechanism of action that relies upon specific polar interactions deep in the LRH-1 binding pocket. In an organoid model of inflammatory bowel disease, the new agonist increases expression ofLRH-1-conrolled steroidogenic genes and promotes anti-inflammatory gene expression changes. These studies constitute major progress in developing LRH-1 modulators with potential clinical utility.