Gut Inflammation: Physiological and Molecular Insights on Poly(ADP-ribose)polymerase 14 in Inflammatory Bowel Disease and Salmonellosis

Abstract

Inflammatory bowel disease (IBD) and Salmonella infection (salmonellosis) are characterized by disruption of the intestinal barrier and severe gut inflammation. A multitude of cell signaling pathways regulate the gut immunological responses. Protein ADP-ribosylation and the enzymes catalyzing this modification, that is, poly(ADP-ribose) polymerases (PARPs), have gained attention in the past few years for their potential roles in the regulation of immunological responses. Yet, the mechanistic basis and more importantly the physiological relevance have largely remained elusive.

This study focuses on PARP14 in gut inflammation. PARP14 expression and function were examined using colon biopsies of IBD vs control patients and tissue material from two mouse models, that is, from the oral dextran sulfate sodium (DSS) exposure colitis model and the oral Salmonella Typhimurium infection model. PARP14 was predominantly expressed by the epithelial cells (with granular cytosolic staining) in human IBD and control patient colons. Analysis of bulk tissue transcriptomic data revealed higher PARP14 expression in the colon of IBD patients as compared to control patients. In mice, upon DSS-treatment and Salmonella infection, majority of the cells expressing PARP14 were epithelial cells, along with some mucosal macrophages. Analysis of Salmonella infection single-cell RNA-Seq data of the small intestine epithelium revealed pronounced PARP14 expression in the enterocytes and Tuft cells. Based on the qPCR analysis, PARP14 expression was higher in the colon of DSS-treated mice as compared to controls. Body-wide genetic PARP14 deficiency was associated with exacerbated colitis in both mouse models. Most importantly, the colon histopathology analysis revealed more severe epithelial barrier damage – including extensive epithelial erosion, Goblet cell loss, and increased immune cell infiltration – in the PARP14-deficient mice. PacBio sequencing (microbiota analysis), flow cytometry (leukocyte population analysis) and RNA-Seq (transcriptomic analysis) were used to study features that potentially associate with the pronounced pathologies of PARP14-deficient mice. While no significant microbiota and leukocyte population differences were detected between wt and PARP14-deficient mice, the transcriptomic analysis indicated a critical regulatory role for PARP14. Bulk RNA sequencing of colon samples showed dysregulated expression of inflammation- and infection-response genes in PARP14- deficient mice both prior and after DSS exposure, while Salmonella infected knockouts lacked key gene expression signatures related to cell adhesion, cell proliferation, and cytoskeletal organization.

In conclusion, this study uncovered a previously unknown role of PARP14 in gut inflammation. PARP14 appears to play a protective role in the gut by maintaining epithelial integrity and modulating mucosal inflammation, possibly as a transcriptional regulator. Biomarker potential of PARP14 in gut disorders merits further investigation.

<b>Suolistotulehdus: poly(ADP-riboosi)polymeraasi 14 proteiinin toimintamekanismit ja fysiologinen merkitys tulehduksellisessa suolistosairaudessa ja Salmonella infektiossa</b>

Tulehdukselliselle suolistosairaudelle (inflammatory bowel disease, IBD) ja Salmonella infektiolle (salmonelloosi) on tunnusomaista vaurioitunut suolisto-epiteelisolukko ja vakava suolistotulehdus. Lukuisat solujen signalointireitit sääte-levät suoliston immunologisia vasteita. Proteiinien ADP-ribosylaatio ja tätä modifikaatiota katalysoivat entsyymit eli poly(ADP-riboosi)polymeraasit (PARP:t) ovat viime vuosina saaneet huomiota mahdollisista rooleistaan immunologisten vasteiden säätelyssä. Säätelyn molekyylimekanismit ja mikä tärkeintä sen fysiologiset merkitykset ovat suurelta osin jääneet vielä tuntemattomiksi.

Tämä tutkimus keskittyy PARP14 proteiiniin suolistotulehduksessa. PARP14 proteiinin ilmentymistä ja toimintaa tutkittiin käyttämällä IBD-potilaiden ja verrok-kipotilaiden paksusuolen biopsioita ja kudosmateriaalia kahdesta hiirimallista, toisin sanoen dekstraanisulfaattinatrium (DSS) koliittimallista ja Salmonella infektio-mallista. PARP14 proteiinia ilmensivät pääasiassa epiteelisolut (rakeisella sytosoli-värjäyksellä) IBD-potilaiden ja verrokkipotilaiden paksusuolessa. Kudosten transkriptominen analyysi paljasti korkeamman PARP14 ekspression IBD-potilaiden paksusuolessa verrattuna kontrollipotilaisiin. Hiirten epiteelisolut, samoin kuin limakalvomakrofagit, ilmensivät voimakkaasti PARP14 proteiinia DSS käsittelyn ja Salmonella infektion jälkeen. Salmonella infektion yksisolu-RNA-Seq-analyysi ohutsuolen epiteelisolukosta paljasti voimakkaan PARP14 ekspression enterosyyteissä ja Tuft-soluissa. PARP14 ilmentyminen oli korkeampi DSS käsiteltyjen hiirten paksusuolessa verrattuna kontrolleihin kvantitatiivisen PCR analyysin perusteella. PARP14 proteiinin puute aiheutti voimistuneen paksusuolen-tulehduksen molemmissa hiirimalleissa. Paksusuolen histopatologinen analyysi paljasti vakavampia epiteelisolukon vaurioita PARP14 poistogeenisillä hiirillä, mukaan lukien laajan epiteelisolueroosion, pikarisolujen häviämisen ja lisääntyneen immuunisolujen infiltraation. PacBio-sekvensointia (mikrobiota-analyysi), virtaus-sytometriaa (leukosyyttipopulaatioanalyysi) ja RNA-Seq-menetelmää (transkripto-minen analyysi) käytettiin sellaisten piirteiden tutkimiseen, jotka mahdollisesti liittyvät PARP14 poistogeenisten hiirten voimistuneisiin patologioihin. Merkittäviä mikrobiota- ja leukosyyttipopulaatioeroja ei havaittu villityypin ja PARP14 poistogeenisten hiirten välillä, mutta transkriptominen analyysi osoitti kriittisen säätelevän roolin PARP14 proteiinille. Paksusuolinäytteiden RNA-sekvensointi osoitti tulehdus- ja infektiovastegeenien säätelemätöntä ilmentymistä PARP14 poistogeenisissä hiirissä sekä ennen DSS käsittelyä että sen jälkeen. Salmonella infektion saaneista PARP14 poistogeenisistä hiiristä puolestaan paljastui ongelmia siinä miten solujen adheesioon, solujen lisääntymiseen ja sytoskeletaaliseen organisaatioon liittyviä geenejä ilmennettiin.

Yhteenvetona voidaan todeta, että tämä tutkimus paljasti aiemmin tunte-mattoman roolin PARP14 proteiinille suolistotulehduksessa. PARP14 proteiinilla näyttäisi olevan suojaava rooli suolistossa ylläpitämällä epiteelisolukon eheyttä ja muokkaamalla limakalvon tulehdusreaktiota, mahdollisesti transkriptionaalisena säätelijänä. PARP14 proteiinin potentiaali suolistosairauksien biomarkkerina ansaitsee lisätutkimuksia.