Gut microbes make T cells keep the peace Our guts harbor trillions of microbial inhabitants, some of which regulate the types of immune cells that are present in the gut. For instance, Clostridium species of bacteria induce a type of T cell that promotes tolerance between the host and its microbial contents. Ohnmacht et al. and Sefik et al. characterized a population of gut regulatory T cells in mice, which required gut microbiota to survive. Multiple bacterial species of the microbiota could induce transcription factor–expressing regulatory T cells that helped maintain immune homeostasis. Mice engineered to lack these transcription factors exhibited enhanced susceptibility to colonic inflammation and had elevated amounts of proinflammatory molecules associated with allergies (see the Perspective by Hegazy and Powrie). Science , this issue pp. 989 and 993

In humans, the composition of gut commensal bacteria is closely correlated with obesity. The bacteria modulate metabolites and influence host immunity. In this study, we attempted to determine whether there is a direct correlation between specific commensal bacteria and host metabolism. As mice aged, we found significantly reduced body weight and fat mass in Atg7ΔCD11c mice when compared with Atg7f/f mice. When mice shared commensal bacteria by co-housing or feces transfer experiments, body weight and fat mass were similar in both mouse groups. By pyrosequencing analysis, Bacteroides acidifaciens (BA) was significantly increased in feces of Atg7ΔCD11c mice compared with those of control Atg7f/f mice. Wild-type C57BL/6 (B6) mice fed with BA were significantly more likely to gain less weight and fat mass than mice fed with PBS. Of note, the expression level of peroxisome proliferator-activated receptor alpha (PPARα) was consistently increased in the adipose tissues of Atg7ΔCD11c mice, B6 mice transferred with fecal microbiota of Atg7ΔCD11c mice, and BA-fed B6 mice. Furthermore, B6 mice fed with BA showed elevated insulin levels in serum, accompanied by increased serum glucagon-like peptide-1 and decreased intestinal dipeptidyl peptidase-4. These finding suggest that BA may have potential for treatment of metabolic diseases such as diabetes and obesity.

Antibiotics and dietary habits can affect the gut microbial community, thus influencing disease susceptibility. Although the effect of microbiota on the postnatal environment has been well documented, much less is known regarding the impact of gut microbiota at the embryonic stage. Here we show that maternal microbiota shapes the metabolic system of offspring in mice. During pregnancy, short-chain fatty acids produced by the maternal microbiota dictate the differentiation of neural, intestinal, and pancreatic cells through embryonic GPR41 and GPR43. This developmental process helps maintain postnatal energy homeostasis, as evidenced by the fact that offspring from germ-free mothers are highly susceptible to metabolic syndrome, even when reared under conventional conditions. Thus, our findings elaborate on a link between the maternal gut environment and the developmental origin of metabolic syndrome.

Abstract  Mitochondrial dysfunction plays an important role in the development of podocyte injury in diabetic nephropathy (DN). Tunnelling nanotubes (TNTs) are long channels that connect cells and allow organelle exchange. Mesenchymal stromal cells (MSCs) can transfer mitochondria to other cells through the M-Sec-TNTs system. However, it remains unexplored whether MSCs can form heterotypic TNTs with podocytes, thereby enabling the replacement of diabetes-damaged mitochondria. In this study, we analysed TNT formation, mitochondrial transfer, and markers of cell injury in podocytes that were pre-exposed to diabetes-related insults and then co-cultured with diabetic or non-diabetic MSCs. Furthermore, to assess the in vivo relevance, we treated DN mice with exogenous MSCs, either expressing or lacking M-Sec, carrying fluorescent-tagged mitochondria. MSCs formed heterotypic TNTs with podocytes, allowing mitochondrial transfer, via a M-Sec-dependent mechanism. This ameliorated mitochondrial function, nephrin expression, and reduced apoptosis in recipient podocytes. However, MSCs isolated from diabetic mice failed to confer cytoprotection due to Miro-1 downregulation. In experimental DN, treatment with exogenous MSCs significantly improved DN, but no benefit was observed in mice treated with MSCs lacking M-Sec. Mitochondrial transfer from exogenous MSCs to podocytes occurred in vivo in a M-Sec-dependent manner. These findings demonstrate that the M-Sec-TNT-mediated transfer of mitochondria from healthy MSCs to diabetes-injured podocytes can ameliorate podocyte damage. Moreover, M-Sec expression in exogenous MSCs is essential for providing renoprotection in vivo in experimental DN.

The dysbiosis of gut microbiota has been implicated in the pathogenesis of inflammatory bowel diseases (IBDs); however, the underlying mechanisms have not yet been elucidated. Heavily glycosylated mucin not only establishes a first-line barrier against pathogens, but also serves as a niche for microbial growth. We hypothesized that dysbiosis may cause abnormal mucin utilization and microbial metabolic dysfunction. To test this hypothesis, we analyzed short-chain fatty acids (SCFAs) and mucin components in the stool samples of 40 healthy subjects, 49 ulcerative colitis (UC) patients, and 44 Crohn's disease (CD) patients from Japan. The levels of n-butyrate were significantly lower in the stools of both the CD and UC patients than in those of the healthy subjects. Correlation analysis identified 7 bacterial species positively correlated with n-butyrate levels, among which the major n-butyrate producer, Faecalibacterium prausnitzii, was particularly underrepresented in CD patients, but not in UC patients. In UC patients, there were inverse correlations between mucin O-glycan levels and the production of SCFAs, such as n-butyrate, suggesting that mucin O-glycans act as an endogenous fermentation substrate for n-butyrate production. Indeed, mucin-fed rodents exhibited enhanced n-butyrate production, leading to the expansion of RORgt+Treg cells and IgA-producing cells in the colonic lamina propria. Importantly, the availability of mucin-associated O-glycans to the microbiota was significantly reduced in n-butyrate-deficient UC patients. Taken together, our findings highlight the biological significance of the symbiosynthesis pathway in the production of n-butyrate, which maintains gut immune homeostasis.