Expression of Secretory Mucins in the Human Upper Gastrointestinal Tract; The Role of MUC5AC in the Adhesion of Helicobacter Pylori

De bovenste organen van het spijsverteringsstelsel omvatten de oesofagus, maag en duodenum. Deze compartimenten dienen voor transport en tijdelijke opslag van ingenomen voedsel, en initiëren de vertering van voedsel. Ziektes van het bovenste spijsverteringsstelsel zijn een belangrijke bron van morbiditeit en mortaliteit. Belangrijke ziekten in dit verband zijn: gastritis, maag en duodenale ulcers, oesofagitis en gastro-oesofagale reflux ziekte. Bovendien wordt in de Westerse wereld een toename waargenomen van maag en oesofagus carcinomen. Sinds 1983 is bekend dat de aanwezigheid van een bacterieel pathogeen in verband kan worden gebracht met verschillende van deze veel voorkomende ziekten. Deze bacterie, Helicobacter pylori, komt wereldwijd voor en wordt door de Wereld Gezondheidsorganisatie (WHO) geclassificeerd als een type I carcinogeen. H. pylori is de eerste bacterie waarbij een relatie is gelegd tussen de chronische aanwezigheid van een bacterie en de aanwezigheid van adenocarcinomen met name van het maagepitheel. De “natuurlijke” omgeving van H. pylori is de maag. Om de maag te koloniseren moet de bacterie overleven in de zure omgeving van de maaginhoud. H. pylori heeft hiervoor een aantal aanpassingen ontwikkeld. Als één van de weinige bacteriën bevat H. pylori het enzym urease, waarmee het in staat is om ureum te hydrolyseren in koolstofdioxide en ammonia, waardoor de zure maaginhoud plaatselijk wordt geneutraliseerd. Tevens heeft de bacterie aan één zijde flagellen, waarmee het door de mucus (slijm)-laag kan voortbewegen naar het oppervlakte van het maagepitheel waar een neutrale pH heerst. Om niet te worden uitgewassen met het transport van voedselresten naar het duodenum, zal de bacterie zich moeten hechten in het maagslijm (mucus) of aan de mucus-producerende epitheelcellen die zich aan de oppervlakte van de maag bevinden. Het hoofdbestanddeel van mucus zijn secretoire mucinen van het zogenaamde MUC-type. Deze secretoire mucinen zijn grote glyco-proteïnen die een viscoelastische gel-laag kunnen vormen en die het onderliggende epitheel beschermen. In de mens zijn er tot op heden 18 mucine genen van het MUC-type beschreven, die respectievelijk coderen voor: MUC1, -2, -3A, -3B, -4, -5AC, -5B, -6, -7, -8, -11, -12, -13, -15, -16, -17 en 18. Hiervan zijn MUC2, -5AC, -5B en –6 genetisch geclusterd op chromosoom 11p15.5. Het zijn met name deze laatste 4 genoemde MUC-type mucinen die verantwoordelijk zijn voor de mucuslagen in het maagdarmkanaal en ander holle organen van het lichaam, zoals de longen en de uro-genitale kanalen. Een zeer belangrijke kandidaat voor de H. pylori receptor in de maag is het maagmucine. Mucine vormt de belangrijkste structurele component van de mucuslaag die de maag bekleed. Uit resultaten van in situ onderzoek is gebleken dat de bacterie aanwezig is in de mucuslaag, of wordt aangetroffen geassocieerd met de mucine-producerende cellen van het oppervlakte epitheel van de maag. De sequentieanalyse van een maag cDNA-bank toonde aan dat MUC5AC het prominente secretoire maag mucine is, dat verantwoordelijk is voor de opbouw van de mucuslaag in de maag.

The "natural habitat" of H. pylori within the human body seems to be the gastric mucus and the mucus-producing epithelium. The question is; what is so special about the gastric mucus that H. pylori can establish itself there? This mucus-layer, like all the mucus-layers in the body, is composed of mucins; large glycoproteins that are able form watery gels to protect the underlying epithelium. Several questions immediately arise, each of which we will try to answer in this thesis: 1. What is the nature of the gastric mucin? 2. What is the nature of the interaction between the bacterium and the mucin? 3. Can the expression of this gastric mucin sufficiently explain the gastric tropism towards the stomach? 4. Which mucins, or other secretory proteins, are produced in the metaplastic epithelia within the upper GI tract, and can this knowledge help us understand the underlying pathology and the role of H. pylori herein? BACKGROUND AND OBJECTIVES: Helicobacter pylori shows a characteristic tropism for the mucus-producing gastric epithelium. In infected patients, H. pylori colocalizes in situ with the gastric secretory mucin MUC5AC. The carbohydrate blood-group antigen Lewis B (LeB) was deemed responsible for the adherence of H. pylori to the gastric surface epithelium. We sought to determine if MUC5AC is the carrier of LeB, and thus if MUC5AC is the underlying gene product functioning as the main receptor for H. pylori in the stomach. METHODS: We studied three types of human tissue producing MUC5AC: Barrett's esophagus (BE), normal gastric tissue, and gastric metaplasia of the duodenum (GMD). Tissue sections were immuno-fluorescently stained for MUC5AC or LeB, and subsequently incubated with one of three strains of Texas red-labeled H. pylori, one of which was unable to bind to LeB. We determined the colocalization of MUC5AC or LeB with adherent H. pylori. RESULTS: The binding patterns for the two LeB-binding strains to all tissues were similar, whereas the strain unable to bind to LeB did not bind to any of the tissues. In normal gastric tissue, the LeB-binding strains always bound to MUC5AC- and LeB-positive epithelial cells. In four nonsecretor patients, colocalization of the LeB-binding strains was found to MUC5AC-positive gastric epithelial cells. In BE, the LeB-binding H. pylori strains colocalized very specifically to MUC5AC-positive cells. MUC5AC-producing cells in GMD contained LeB. Yet, LeB-binding H. pylori not only colocalized to MUC5AC or LeB present in GMD, but also bound to the LeB-positive brush border of normal duodenal epithelium. CONCLUSIONS: Mucin MUC5AC is the most important carrier of the LeB carbohydrate structure in normal gastric tissue and forms the major receptor for H. pylori.