Ulcerative colitis is the most common type of inflammatory bowel disease, characterised by chronic ulcers and inflammation in the colon and rectum. Symptoms can be lifelong and range from mild to life-threatening. There is no known cure for this human pathology. 
 
Researchers have suspected that a malfunctioning immune system, where immune cells attack the epithelial cells in the colon, could explain the recurring bouts of inflammation that are characteristic of the disease. However, what makes the immune system attack healthy cells in the first place remains a mystery. 
 
A new study published today in the Proceedings of the National Academy of Sciences proposes a set of conditions that could act as a starting point for the development of ulcerative colitis. Using a combination of experimental data from patient biopsies, mouse models and cell lines, researchers show the disease may be caused because of increasing levels of the enzyme alpha 1-6 fucosyltransferase – also known as FUT8 – in the colon. Levels of this enzyme are normally low in healthy individuals. 
 
FUT8’s main function is to modify the physical properties of many different types of proteins through a process known as fucosylation. In 2016, research led by Dr. Naoyuki Taniguchi from the Osaka International Cancer Institute showed that mice which lacked FUT8 were protected from ulcerative colitis, but it was unclear why. This caught the attention of Vivek Malhotra’s research group at the Centre for Genomic Regulation (CRG) in Barcelona, who back in 2013 had found that FUT8 could play a role in the secretion of mucins, proteins that form the major component of the mucous layer. The researchers decided to work together to further elucidate the role of FUT8 in ulcerative colitis. 
 
Mucins are large proteins that swell several hundred times in volume upon their release into the extra cellular space. It is estimated that humans secrete an average of one litre of mucins per day, which combine with other molecules to create mucous – a thick, slippery liquid that coats, lubricates and protects the entire gastrointestinal tract, a surface area that is roughly half the size of a badminton court. 
 
The researchers collaborated with Ivo Gut’s research team at the Centro Nacional de Análisis Genómico (CNAG-CRG), who provided gene expression data collected from the biopsies of colonic tissue from 24 patients with ulcerative colitis and the same type of tissue from 16 healthy patients. This revealed that FUT8 levels were 3.5 times higher in samples of patients with ulcerative colitis compared to those without the condition. They also found that levels of several types of mucins were increased in the inflamed colon of ulcerative colitis patients. 
 
The researchers then checked whether the mucous layer was altered in mice depleted of FUT8, which are protected against ulcerative colitis. They found that FUT8 knock-out mice had a thinner mucous layer in comparison to mice with higher expression of FUT8. 
 
The researchers next explored why these changes in the mucous layer were occurring at a molecular level. Using colon cell lines, they found that different levels of FUT8 alter the ratio of two different types of mucins secreted by cells – Mucin 2 and Mucin5AC, which form the scaffold of the mucous layer. They also found it alters the expression of Mucin 1, which acts as an anchor for bacteria at the cell surface. 
 
“We show that when FUT8 is overexpressed, as seen in patients with ulcerative colitis, epithelial cells secrete mucins that is less compact compared to normal mucous. Being less compact, the mucous layer is more permeable, and we believe this permits bacteria to reach epithelial cells in the colon more easily. The mucous layer will also be stickier, making it more resistant to washing. This in turn traps bacteria and other pathogens within the mucous, which gives them a longer time to invade the underlying cells,” explains Dr. Gerard Cantero-Recasens, who carried out the work in Dr. Malhotra’s lab at the CRG and is now Junior Principal Investigator at the Vall d’Hebron Research Institute (VHIR) in Barcelona.  
 
“In contrast, when FUT8 is depleted, epithelial cells secrete mucins that form a more compact mucous. This makes the mucous layer less permeable, and easily washed away. Since cells continuously secrete more mucins, bacteria that are trapped within mucous are constantly removed. We believe that less bacteria means less contact with the epithelium, which in turn prevents or reduces inflammation. This explains why mice lacking FUT8 are protected against ulcerative colitis,” adds Dr. Cantero-Recasens. 
 
In healthy individuals, the distal colon has two mucous layers. The outer layer is where many different types of microbes live, both harmful and beneficial. The inner layer sticks closely to the epithelial layer and is generally sterile, keeping harmful bacteria in the gut’s tract or in the outer layer from reaching the cells that line the large intestine, preventing inflammation or infection. One theory is that FUT8 levels are purposefully maintained low in the colon of healthy individuals so that mucins can form the layer impermeable to bacteria. While the researchers show that FUT8 alters the mucous layer and this could lead to the initiation of ulcerative colitis, why the enzyme is dysregulated in patients remains an open question. 
 
Another unknown is what happens after the initial bouts of inflammation that are characteristic of ulcerative colitis. The researchers believe the gut microbiome could play a role. “The mucous layer is first line of defence against dangerous microbes, toxins and harmful by-products of digestion. It also hosts a thriving population of beneficial microbes that are critical for human health. It is likely that changes we observe in mucins impact the gut microbiome, which in turn elicits an immune response. Evaluation of the gut microbiome in normal and patients’ guts should help address this question,” says ICREA Research Professor Vivek Malhotra, senior author of the study and Coordinator of the Cell and Developmental Biology programme at the CRG. 
 
The findings pave the way for the development of new tests to detect ulcerative colitis before symptoms appear and to measure the prognosis of the condition. “We could measure levels of fucosylation or MUC1 release in the mucous of the large intestine by taking stool samples from patients. It would be a relatively easy test and routine as carrying out a blood test,” explains Dr. Cantero-Recasens.  

“This is a good start to address a problem of fundamental importance and another example of how basic science still holds by far the best means to address medical issues,” concludes Dr. Malhotra. 

EN CASTELLANO

Las alteraciones en la mucosa intestinal pueden causar colitis ulcerosa

La colitis ulcerosa es la más común de las enfermedades inflamatorias intestinales. Se caracteriza por la aparición de úlceras crónicas e inflamación en el colon y el recto. Los síntomas pueden ser de por vida y varían de ser leves a potencialmente fatales. No existe una cura conocida para esta enfermedad. 

Se sospecha que el mal funcionamiento del sistema inmune, en el cual las células inmunes atacan a las células epiteliales en el colon, podría explicar los episodios recurrentes de inflamación que son característicos de la enfermedad. Sin embargo, no se sabe por qué el sistema inmunológico ataca a las células sanas en primer lugar. 
 
Un nuevo estudio publicado hoy en Proceedings of the National Academy of Sciences propone un conjunto de requisitos que podrían actuar como el punto de partida para el desarrollo de la colitis ulcerosa. Utilizando una combinación de datos experimentales de biopsias de pacientes, modelos de ratón y líneas celulares, el equipo científico muestra que la enfermedad puede ser causada por el aumento de los niveles de la enzima alfa 1-6 fucosiltransferasa, también conocida como FUT8, en el colon. Los niveles de esta enzima son normalmente bajos en personas sanas. 
 
La función principal de FUT8 es modificar las propiedades físicas de diferentes tipos de proteínas a través de un proceso conocido como la fucosilación. En 2016, una investigación dirigida por el Dr. Naoyuki Taniguchi del Instituto Internacional del Cáncer de Osaka mostró que los ratones que carecían de FUT8 estaban protegidos contra la colitis ulcerosa, pero no estaba claro el porqué. Esto llamó la atención del grupo de investigación del Dr. Vivek Malhotra en el Centro de Regulación Genómica (CRG), en Barcelona, que en 2013 descubrió que FUT8 podría desempeñar un papel en la secreción de las mucinas, proteínas que forman el componente principal de la capa mucosa. Los dos equipos decidieron trabajar juntos para dilucidar el papel de FUT8 en la colitis ulcerosa. 
 
Las mucinas son proteínas grandes que aumentan su volumen varios cientos de veces tras ser secretadas en el espacio extracelular. Se estima que los humanos secretan un promedio de un litro de mucinas por día, que se combinan con otras moléculas para crear la mucosidad, que consiste en un líquido espeso y resbaladizo que recubre, lubrica y protege todo el tracto gastrointestinal, un área de superficie que equivale aproximadamente a la mitad de una pista de bádminton (30-40 m2). 
 
Los autores del estudio colaboraron con el equipo de investigación de Ivo Gut en el Centro Nacional de Análisis Genómico (CNAG-CRG), que proporcionó datos de expresión génica recopilados de las biopsias de tejido del colon de 24 pacientes con colitis ulcerosa y el mismo tipo de tejido de 16 personas sanas. Esto reveló que los niveles de FUT8 son 3,5 veces más altos en las muestras de pacientes con colitis ulcerosa en comparación con aquellos que no padecen la enfermedad. También descubrieron que los niveles de varios tipos de mucinas aumentaron en el colon inflamado de pacientes con colitis ulcerosa. 
 
A continuación, verificaron si la capa mucosa estaba alterada en los ratones que carecen de FUT8 y están protegidos contra la colitis ulcerosa. Demostraron que los ratones knock-out FUT8 tenían una capa mucosa más delgada en comparación con los ratones con mayor expresión de FUT8. 
 
El siguiente paso de la investigación examinó por qué estos cambios en la capa mucosa estaban ocurriendo a nivel molecular. Utilizando líneas celulares de colon, encontraron que diferentes niveles de FUT8 alteran la proporción de dos tipos diferentes de mucinas secretadas por las células: la Mucina 2 y la Mucina 5AC, dos tipos de mucinas que conjuntamente construyen el entramado de la capa mucosa. También encontraron que se altera la expresión de la Mucina 1, una proteína que actúa como un ancla para las bacterias en la superficie celular. 
 
"Mostramos que cuando FUT8 se sobreexpresa, como se ve en los pacientes con colitis ulcerosa, las células epiteliales secretan mucinas que son menos compactas en comparación con las mucosas normales. Esto hace que la capa mucosa sea más permeable, y creemos que esto permite que las bacterias lleguen a las células epiteliales en el colon más fácilmente. La capa mucosa también es más pegajosa, haciéndola más resistente al lavado. Esto a su vez atrapa a las bacterias y otros patógenos dentro de la mucosa, lo que les da más tiempo para invadir las células subyacentes", explica el Dr. Gerard Cantero Recasens, quien llevó a cabo el trabajo en el laboratorio del Dr. Malhotra en el CRG y ahora es Investigador Principal Junior en el Vall d'Hebron Instituto de Investigación (VHIR) en Barcelona.  
 
"En contraste, cuando FUT8 se agota, las células epiteliales secretan mucinas que forman una mucosa más compacta. Esto hace que la capa mucosa sea menos permeable y se lave fácilmente. Dado que las células secretan continuamente más mucinas, las bacterias que están atrapadas dentro de la mucosa se eliminan constantemente. Creemos que menos bacterias significan menos contacto con el epitelio, lo que a su vez previene o reduce la inflamación. Esto explica por qué los ratones que carecen de FUT8 están protegidos contra la colitis ulcerosa", añade el Dr. Cantero Recasens. 
 
En individuos sanos, el colon distal tiene dos capas mucosas. La capa externa es donde viven muchos tipos diferentes de microbios, tanto dañinos como beneficiosos. La capa interna se adhiere estrechamente a la capa epitelial y generalmente es estéril, evitando que los patógenos en el tracto intestinal o en la capa externa lleguen a las células que recubren el intestino grueso, evitando la inflamación o la infección. Una teoría es que los niveles de FUT8 se mantienen bajos a propósito en el colon de individuos sanos para que las mucinas puedan formar la capa impermeable a las bacterias. Aunque el estudio muestra que FUT8 altera la capa mucosa y esto podría conducir al inicio de la colitis ulcerosa, por qué la enzima está desregulada en los pacientes sigue siendo una pregunta abierta. 
 
Otra incógnita es lo que sucede después de los episodios iniciales de inflamación que son característicos de la colitis ulcerosa. Los autores del estudio creen que el microbioma intestinal podría desempeñar un papel. "La capa mucosa es la primera línea de defensa contra microbios peligrosos, toxinas y los productos dañinos de la digestión. También alberga una próspera población de microbios beneficiosos que son críticos para la salud humana. Es probable que los cambios que observamos en las mucinas afecten el microbioma intestinal, lo que a su vez provoca una respuesta inmune. La evaluación del microbioma intestinal en intestinos normales y de pacientes debería ayudar a abordar esta pregunta", afirma el Profesor de Investigación ICREA Vivek Malhotra, autor principal del estudio y coordinador del programa de Biología Celular y del Desarrollo en el CRG. 
 
Los hallazgos allanan el camino para el desarrollo de nuevas pruebas para detectar la colitis ulcerosa antes de que aparezcan los síntomas y para medir el pronóstico de la enfermedad. "Podríamos medir los niveles de la fucosilación o liberación de MUC1 en la mucosa del intestino grueso en las muestras de heces de pacientes. Sería una prueba relativamente fácil y tan rutinaria como realizar un análisis de sangre", explica el Dr. Cantero-Recasens. 

"Este es un buen comienzo para abordar un problema de importancia fundamental y otro ejemplo de cómo la ciencia básica sigue siendo la mejor estrategia para abordar los problemas médicos", concluye el Dr. Malhotra. 

EN CATALÀ

Les alteracions a la mucosa intestinal poden causar colitis ulcerosa 

La colitis ulcerosa és la més comuna de les malalties inflamatòries intestinals. Es caracteritza per l’aparició d’úlceres cròniques i inflamació al còlon i el recte. Els símptomes poden ser per tota la vida i poden anar de lleus a potencialment fatals. No existeix una cura coneguda per a aquesta malaltia.   
 
Se sospita que el mal funcionament del sistema immune, en què les cèl·lules immunes ataquen les cèl·lules epitelials al còlon, podria explicar els episodis recurrents d’inflamació que són característics de la malaltia. Tanmateix, no se sap per què el sistema immunològic ataca les cèl·lules sanes en primer lloc. 
 
Un nou estudi publicat avui a Proceedings of the National Academy of Sciences proposa un conjunt de requisits que podrien actuar com a punt de partida per al desenvolupament de la colitis ulcerosa. Emprant una combinació de dades experimentals de biòpsies de pacients, models de ratolí i línies cel·lulars, l’equip científic mostra que la malaltia pot ésser causada per l’augment dels nivells de l’enzim alfa 1-6 fucosiltransferasa, també conegut com a FUT8, al còlon. Els nivells d’aquest enzim són normalment baixos en persones sanes. 
 
La funció principal de FUT8 és modificar les propietats físiques de diferents tipus de proteïnes a través d’un procés conegut com a fucosilació. Al 2016, una recerca dirigida pel Dr. Naoyuki Taniguchi de l’Institut Internacional del Càncer d’Osaka mostrà que els ratolins que no tenien FUT8  estaven protegits contra la colitis ulcerosa, però no estava clar el perquè. Això cridà l’atenció del grup de recerca del Dr. Vivek Malhotra al Centre de Regulació Genòmica (CRG), a Barcelona, que al 2013 descobrí que FUT8 podria exercir un paper en la secreció de les mucines, proteïnes que formen el component principal de la capa mucosa. Els dos equips decidiren treballar junts per a dilucidar el paper de FUT8 en la colitis ulcerosa. 
 
Les mucines són proteïnes grans que augmenten el seu volum diversos centenars de vegades després d’ésser secretades a l’espai extracel·lular. S’estima  que els humans secreten una mitjana d’un litre de mucines per dia, que es combinen amb d’altres molècules per a crear la mucositat, que consisteix en un líquid espès i lliscós que recobreix, lubrica i protegeix tot el tracte gastrointestinal, una àrea de superfície que equival aproximadament a la meitat d’una pista de bàdminton (30-40 m2). 
 
Els autors de l’estudi col·laboraren amb l’equip de recerca d’Ivo Gut al Centre Nacional d’Anàlisi Genòmica (CNAG-CRG), que proporcionà dades d’expressió gènica recopilats de les biòpsies de teixit de còlon de 24 pacients amb colitis ulcerosa i el mateix tipus de teixit de 16 persones sanes.  Això revelà que els nivells de FUT8 són 3,5 vegades més alts en les mostres de pacients amb colitis ulcerosa en comparació amb aquells que no pateixen la malaltia. També descobriren que els nivells de diversos tipus de mucines augmentaren al còlon inflamat de pacients amb colitis ulcerosa. 
 
 A continuació, verificaren si la capa mucosa estava alterada en els ratolins que no tenen FUT8 i estan protegits contra la colitis ulcerosa. Demostraren que els ratolins knock-out FUT8 tenien una capa mucosa més prima en comparació amb els ratolins amb una expressió més alta de FUT8. 
 
El pas següent de la recerca examinà per què aquests canvis en la capa mucosa estaven succeint a nivell molecular. Emprant línies cel·lulars de còlon, trobaren que diferents nivells de FUT8 alteren la proporció de dos tipus diferents de mucines secretades per les cèl·lules: la Mucina 2 i la Mucina 5AC, dos tipus de mucines que conjuntament construeixen l’entramat de la capa mucosa. També trobaren que s’altera l’expressió de la Mucina 1, una proteïna que actua com una àncora per als bacteris a la superfície cel·lular. 
 
“Mostrem que quan FUT8 se sobreexpressa, com es veu en els pacients amb colitis ulcerosa, les cèl·lules epitelials secreten mucines que són menys compactes en comparació amb les mucoses normals. Això fa que la capa mucosa sigui més permeable, i creiem que això permet que els bacteris arribin a les cèl·lules epitelials del còlon més fàcilment. La capa mucosa també és més enganxosa, fent-la més resistent al rentat. Això, alhora, atrapa els bacteris i d’altres patògens dins de la mucosa, fet que els dona més temps per envair les cèl·lules subjacents”, explica el Dr. Gerard Cantero Recasens, qui dugué a terme la feina al laboratori del Dr. Malhotra al CRG i que ara és Investigador Principal Júnior al Vall d’Hebron Institut de Recerca (VHIR) a Barcelona. 
 
“En contrast, quan FUT8 s’esgota, les cèl·lules epitelials secreten mucines que formen una mucosa més compacta. Això fa que la capa mucosa sigui menys permeable i es renti fàcilment. Atès que les cèl·lules secreten contínuament més mucines, els bacteris que estan atrapats dins de la mucosa s’eliminen constantment. Creiem que menys bacteris signifiquen menys contacte amb l’epiteli, fet que alhora prevé o redueix la inflamació. Això explica per què els ratolins que no tenen FUT8 estan protegits contra la colitis ulcerosa”, afegeix el Dr. Cantero-Recasens. 
 
En individus sans, el còlon distal té dues capes mucoses. La capa externa és on viuen molts tipus diferents de microbis, tant nocius com beneficiosos. La capa interna s’adhereix estretament a la capa epitelial i generalment és estèril, evitant que els patògens al tracte intestinal o a la capa externa arribin a les cèl·lules que recobreixen l’intestí gros, evitant la inflamació o la infecció. Una teoria és que els nivells de FUT8 es mantenen baixos expressament al còlon d’individus sans per a què les mucines puguin formar la capa impermeable als bacteris. Tot i que l’estudi mostra que FUT8 altera la capa mucosa i això podria provocar l’inici de la colitis ulcerosa, per què l’enzim està desregulat en els pacients continua essent una pregunta oberta. 
 
Una altra incògnita és el que succeeix després dels episodis inicials d’inflamació que són característics de la colitis ulcerosa. Els autors de l’estudi creuen que el microbioma intestinal podria tenir-hi a veure. “La capa mucosa és la primera línia de defensa contra microbis perillosos, toxines i els productes nocius de la digestió. També alberga una pròspera població de microbis beneficiosos que són crítics per a la salut humana. És probable que els canvis que observem a les mucines afectin el microbioma intestinal, fet que alhora provoca una resposta immune. L’avaluació del microbioma intestinal en intestins normals i de pacients hauria d’ajudar a abordar aquesta pregunta”, afirma el Professor d’Investigació ICREA Vivek Malhotra, autor principal de l’estudi i coordinador del programa de Biologia Cel·lular i del Desenvolupament al CRG. 
 
Les troballes aplanen el camí per al desenvolupament de noves proves per a detectar la colitis ulcerosa abans què apareguin els símptomes i per avaluar el pronòstic de la malaltia. “Podríem mesurar els nivells de la fucosilació o alliberament de MUC1 a la mucosa de l’intestí gros en les mostres de femtes de pacients. Seria una prova relativament fàcil i tan rutinària com realitzar una anàlisi de sang”, explica el Dr. Cantero-Recasens.  

“Aquest és un bon començament per abordar un problema d’importància fonamental i un altre exemple de com la ciència bàsica continua essent la millor estratègia per abordar els problemes mèdics”, conclou el Dr. Malhotra.