Dynamic formation of microvillus inclusions during enterocyte differentiation in Munc18-2 deficient intestinal organoids


Cellular and Molecular Gastroenterology and Hepatology - in press
https://www.cmghjournal.org/inpress

- English -Microvillus inclusion disease (MVID) is a congenital disorder that impairs nutrient absorption by the intestinal epithelial brush border. This has fatal consequences in newborn kids and there are only limited therapy options. Defective vesicular trafficking has been identified as the underlying cellular mechanism, but there is a lack of cellular models that can recapitulate this pathology. For example, intracellular microvillus inclusions (MVIs), the hallmark of this disorder, have been very rarely observed in vitro, and how these structures form remains a subject of debate. In an international collaboration Mosa and colleagues have now taken advantage of the 3D intestinal organoid model to study MVID. Human mutations in the MUNC18-2/STXBP2 protein cause various degrees of MVID. Using mouse mutant organoids it could now be demonstrated that the intestinal cell differentiation is a key factor for this variability. MVIs could be induced in vitro in a synchronous and highly efficiently manner, which has not been achieved in previous cellular models. By time-lapse microscopy the process of MVIs formation could be visualized for the first time. This revealed that MVIs can form in the cytoplasm or by plasma membrane invagination. The described assays and protocols could improve diagnosis of MVID using patient-derived organoids and might offer a platform to test therapeutic interventions.

- Deutsch -
Microvillus Inclusion Disease (MVID) ist eine angeborene Krankheit, welche die Nährstoffaufnahme über den Bürstensaum des Darms (sog. Microvilli) beeinträchtigt. Dies hat fatale Auswirkungen für Neugeborene und es bestehen nur begrenzte Therapiemöglichkeiten. Als zugrundeliegender Mechanismus wurde ein defekter zellulärer Transport von Vesikeln identifiziert. Aber es besteht ein Mangel an geeigneten zellulären Modellen um die zugrunde liegenden Ursachen zu untersuchen. Zum Beispiel können die intrazellulären Mikrovillus-Einschlüsse (sog. Microvillus Inclusions), das Kennzeichen dieser Krankheit, in Zellkultur nur selten beobachtet werden. In einer internationalen Kollaboration haben Mohammed Mosa und seine Kollegen nun das 3D-Darmorganoid-Kulturmodell zur Untersuchung von MVID genutzt. Humane Mutationen im MUNC18-2/STXBP2-Protein verursachen verschiedene Grade von MVID. In Maus-Organoiden konnte nun gezeigt werden, dass die Differenzierung der Darmzellen ein Schlüsselfaktor für diese Variabilität darstellt. In Organoiden gelang es MVIs in synchroner und effizienter Weise zu bilden, was in früheren zellulären Modellen nicht möglich war. Mit Hilfe von Video-Mikroskopie konnte der Prozess der MVI-Bildung zum ersten Mal in Echtzeit visualisiert werden. Dies zeigte einen unerwarteten Mechanismus MVIs Bildung im Zytoplasma oder durch Einschluss von Plasmamembranen. Die beschriebenen Protokolle und Modelle könnten die Diagnose von MVID verbessern und eine Plattform darstellen um therapeutische Interventionen patientenspezifisch zu testen.

Mohammed H. Mosa1,2,3, Ophélie Nicolle4,§, Sophia Maschalidi5,6,§, Fernando E. Sepulveda5,6, Aurelien Bidaud-Meynard4, Constantin Menche2, Birgitta E. Michels1,2,3,7 , Grégoire Michaux4*, Geneviève de Saint Basile5,6,8,#,* and Henner F. Farin1,2,3,#,*

1German Cancer Consortium (DKTK), Germany; 2Georg-Speyer-Haus, Institute for Tumor Biology and Experimental Therapy, Frankfurt am Main, Germany; 3German Cancer Research Center (DKFZ), Heidelberg, Germany; 4University Rennes, CNRS, IGDR UMR6290, Rennes, France; 5INSERM UMR1163, Laboratory of Normal and Pathological Homeostasis of the Immune system, Paris, France; 6Paris Descartes University-Sorbonne Paris Cité, Imagine Institute, Paris, France; 7Faculty of Biological Sciences, Goethe University Frankfurt, Germany.?8Centre d’Etudes des Déficites Immunitaires, Assistance Publique-Hôpitaux de Paris, France; § Equal contribution; #Last authors

*Corresponding Authors: Grégoire Michaux: gregoire.michaux@univ-rennes1.fr; Geneviève de Saint Basile: genevieve.de-saint-basile@inserm.fr; or Henner F. Farin: farin@gsh.uni-frankfurt.de