GABA, GadX and Gut Health: How Stimulation of EPEC Transcription Factor GadX Can Improve the Gut Mucosal Barrier

Abstract

Durchfallerkrankungen gehören zu den häufigsten Gesundheitsproblemen weltweit. Sie stellen eine Bedrohung für Mensch und Tier dar und werden häufig durch Bakterien wie z. B. enteropathogene Escherichia coli (EPEC) verursacht. Während der letzten Jahrzehnte war die Therapie mit Antibiotika Mittel der Wahl. Da jedoch bei Bakterien zunehmend Resistenzen gegen Antibiotika auftraten, begannen viele Länder den Einsatz von Antibiotika stark zu reglementieren. Die daraus resultierenden Restriktionen im Bereich der Fütterungsantibiotika verursachen insbesondere in der Schweinemast zunehmend Probleme, da die Absatzferkel-Diarrhö zu massiven Ferkelverlusten führt. Aus diesem Grund steigt die Nachfrage nach alternativen Lösungen zur Prävention der Absatzferkel-Diarrhö.

Es gibt zunehmend Hinweise darauf, dass der inhibitorische Transmitter Gamma-Aminobuttersäure (GABA) nicht nur im Zentralnervensystem eine Rolle spielt, sondern auch als wichtiger Botenstoff im Darm fungiert, wo er Motilität und Abwehrfunktionen beeinflusst. Die Regulation der Virulenz von EPEC, welche den der bakteriellen Transkriptionsfaktor GadX involviert, ist eng mit der Produktion von GABA verbunden. Darüber hinaus gehört GABA zur regulären Ernährung, da es eine Hauptkomponente des freien Aminosäurepools von Pflanzen darstellt, in Milchprodukten enthalten ist und von verschiedenen, fermentativ genutzten Bakterienarten synthetisiert werden kann.

Die Hauptziele der vorliegenden Arbeit waren: a) zu überprüfen ob die Aktivierung des Transkriptionsfaktors GadX zu einer verstärkten GABA-Produktion in EPEC führt b) zu testen ob die Aktivierung des Transkriptionsfaktors GadX in EPEC eine verminderte Virulenz in vitro bewirkt c) zu untersuchen, ob eine lokale Applikation von GABA in vitro einen positiven Effekt auf die Schleimhautbarriere im Darmepithel von Schweinen hat und dadurch möglicherweise die Anfälligkeit für Darminfektionen verringert d) die Ergebnisse im Hinblick auf die Relevanz für zukünftige Strategien zur Bekämpfung von Durchfallgeschehen bei verschiedenen Spezies in einen Zusammenhang zu setzen Um diesen Fragenstellungen nachzugehen, wurden zwei Studien durchgeführt. Die Methoden und Ergebnisse sind in den Manuskripten „GABA selectively increases mucin-1 expression in isolated pig jejunum“ (Genes & Nutrition, 2015, 10(6):47) und “The GadX regulon affects virulence gene expression and adhesion of porcine enteropathogenic Escherichia coli in vitro“ (Veterinary and Animal Science, 2017, 3:10-17) zusammengefasst.

In der ersten Studie wurde in einem ex vivo Ansatz der Einfluss von GABA auf das Epithel vom Schweinedarm untersucht. Dafür wurde isolierte Jejunum-Schleimhaut vom Schwein für vier Stunden mit verschiedenen Konzentrationen von GABA bzw. dessen Vorstufe Glutamin inkubiert. Anschließend wurde mittels RT-qPCR die mRNA-Expression von Muzinen, dem GABAB Rezeptor, der in den GABA- und Glutamin-Stoffwechsel involvierten Enzyme, von Interleukin-10 und der Glutathionperoxidase 2 untersucht. Es zeigte sich, dass durch die Behandlung mit GABA die Expression von Muzin-1 sowohl auf mRNA- als auch auf Proteinebene signifikant hochreguliert wurde. Daraus kann geschlussfolgert werden, dass GABA auch ohne Beteiligung des Nervus vagus direkt die Funktionen der Schleimhautbarriere verbessern kann.

Im zweiten Artikel wurde die Auswirkung von gadX auf die Expression entscheidender Virulenzgene von Schweine-adaptierten EPEC-Stämmen untersucht. Der Transkriptionsfaktor gadX wurde entweder durch Ansäuerung des Milieus oder durch Überexpression eines induzierbaren GadX-tragenden Plasmids stimuliert. In beiden Ansätzen stieg die GABA-Produktion signifikant an, während gleichzeitig die mRNA-Expression des Virulenzgens Intimin herunterreguliert wurde. Des Weiteren konnte in einem Adhäsionstest gezeigt werden, dass Stämme, die mit dem GadX-Plasmid transformiert worden waren, ihre Fähigkeit zur Anlagerung und Adhäsion an eine porzine Darm-Zelllinie vollständig verloren.

Das Potential von GABA und gadX für die Prävention von Durchfallerkrankungen wird diskutiert und verschiedene Ansätze vorgestellt, wie die gadX-Expression in vivo stimuliert werden könnte. Es wird geschlussfolgert, dass die Stimulation von gadX in EPEC nicht nur die Expression von Virulenzgenen reduziert, sondern auch dazu beitragen kann, eine Infektion zu verhindern, indem die bakterielle GABA-Synthese verstärkt und gleichzeitig die Muzin-Expression der Darmschleimhaut verbessert wird. Darüber hinaus unterstützen die Ergebnisse dieser Arbeit die Hypothese, dass GABA Teil des bemerkenswert komplexen Kommunikationssystems zwischen Wirt und Darmflora sein könnte und eine essentielle Bedeutung für die Aufrechterhaltung des empfindlichen Gleichgewichts beim Zusammenspiel zwischen Mikrobiota und Wirt hat. Allerdings ist noch mehr Forschung in diesem Bereich nötig, um potentielle Targets zu identifizieren, die die GABA-Produktion sowie die gadX-Expression in vivo aktivieren könnten.