Endogenous and xenobiotic indoles as modulators of the AhR and PXR signalling pathways

Mgr. Barbora VYHLÍDALOVÁ

Doctoral thesis

Endogenous and xenobiotic indoles as modulators of AhR and PXR signaling pathways

Abstract:

The human microbiome produces diverse metabolites that affect human health. A distinct class of microbial catabolites is formed from dietary tryptophan, some of which have already been described as ligands of the aryl hydrocarbon receptor (AhR) and the pregnane X receptor (PXR). Both receptors act as sensors for endogenous and exogenous compounds, and thus regulate gene expression of drug metabolizing enzymes. In addition, both AhR and PXR play pivotal roles in various physiological and pathophysiological processes. For this reason, these receptors are important therapeutic targets for existing and novel compounds. However, not all microbial tryptophan catabolites have been systematically studied in relation to AhR and PXR, which would be significant to general intestinal health. Tryptophan catabolites contain indole in their structure, which is considered a biologically active component. Thus, endogenous and xenobiotic indole derivatives have been the subject of many studies and may have both beneficial and deleterious biological effects through these receptors. In the present thesis, I have investigated the effects of tryptophan catabolites and mono methylated indoles on the activities of AhR and PXR and the subsequent molecular events involved in these signalling pathways. Appropriate human and mouse intestinal and hepatic in vitro cell models were used for the study. Our findings showed that mono methylated indoles are ligands and partial agonists of human PXR that induce PXR-regulated genes in human intestinal cells. Mono methylated indoles display dual effects on the AhR CYP1A signalling pathway in human intestinal and liver cells. On the one hand, they are AhR dependent inducers of CYP1A genes, and on the other hand, they are inhibitors of CYP1A1 catalytic activity. In addition, this study demonstrated that the tryptophan catabolites are low-potency agonists of AhR, and their effects on AhR may differ substantially, as they may behave as full agonists, partial agonists, or even ligand selective antagonists of human AhR. The findings of this study, for the first time, showed that indole 3 acetamide, indole 3 pyruvate, indole 3 acrylate, and indole 3 ethanol were among the strongest AhR ligands within the microbial tryptophan pathway and that indole and indole 3 acetamide are ligands and agonists of human PXR. In conclusion, this study comprehensively characterised the interactions of gut microbial tryptophan catabolites and synthetic mono methylated indoles with AhR and PXR, which may expand the current understanding of their potential roles inhuman intestinal health and disease. Furthermore, these findings would expand the potential drug repertoire through the concept of indole based mimicry.

Abstract:

Lidský mikrobiom produkuje rozmanité metabolity, které ovlivňují lidské zdraví. Jedna skupina mikrobiálních katabolitů je tvořena z tryptofanu přijatého v potravě, z nichž některé již byly popsány jako ligandy aryl uhlovodíkového receptoru (AhR) a pregnanového X receptoru (PXR). Oba receptory působí jako xenoreceptory endogenních i exogenních sloučenin a regulují tak genovou expresi enzymů metabolizujících léčiva. Kromě toho AhR i PXR hrají významnou roli v různých fyziologických a patofyziologických procesech. Z tohoto důvodu jsou tyto receptory významným terapeutickým cílem pro stávající i nové látky. Doposud však nebyly systematicky studovány všechny známé tryptofanové katabolity ve vztahu k AhR a PXR, což by byl jedinečný a přímo aplikovatelný přístup ke střevnímu zdraví všeobecně. Tryptofanové katabolity obsahují ve své struktuře indol, který je považován za biologicky aktivní část. Předmětem mnoha studií jsou tedy endogenní I xenobiotické deriváty indolu, které mohou mít prostřednictvím těchto receptorů, jak příznivé, tak negativní biologické účinky. V předkládané disertační práci jsem se zabývala studiem účinků tryptofanových katabolitů a mono methylovaných indolů na aktivitu AhR a PXR receptoru a následné molekulární děje účastnící se těchto signálních drah. Pro studium byly použity vhodné in vitro modely lidských a myších, střevních a jaterních buněk. Naše zjištění ukázala, že mono-methylované indoly jsou ligandy a parciální agonisté lidského PXR, které indukují PXR cílové geny v lidských střevních buňkách. Zároveň mono-methylované indoly mají dvojí účinek na AhR CYP1A signální dráhu v lidských střevních a jaterních buňkách. Jednak indukují expresi CYP1A genů prostřednictvím AhR, ale na druhé straně jsou inhibitory CYP1A1 katalytické aktivity. Dále jsme prokázali, že tryptofanové katabolity jsou AhR agonisté s nízkou účinností, avšak jejich působení na AhR se může podstatně lišit, protože se mohou chovat jako úplní agonisté, částeční agonisté nebo dokonce ligandově selektivní antagonisté lidského AhR. Výsledky této studie poprvé ukázaly, že indol 3 acetamid, indol-3-pyruvát, indol 3-akrylát a indol 3 etanol patří mezi nejsilnější ligandy AhR v rámci mikrobiální tryptofanové dráhy a že indol a indol 3 acetamid jsou ligandy a agonisté lidského PXR. Závěrem lze říci, že tato studie komplexně charakterizovala interakce střevních mikrobiálních katabolitů tryptofanu a syntetických mono-methylovaných indolů s AhR a PXR, což může rozšířit současné chápání o jejich potencionálních rolích v lidském střevním zdraví a onemocněních. Navíc tato zjištění jsou zásadní pro rozšíření potencionálního repertoáru léčiv prostřednictvím konceptu mimikry na bázi indolů.

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 30. 8. 2022

Thesis defence

• Supervisor: prof. RNDr. Zdeněk Dvořák, DrSc.

Palacký University Olomouc

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Biology / Molecular and Cell Biology