Date of Award

11-2022

Document Type

Dissertation

Degree Name

Doctor of Philosophy in Cellular and Molecular Biology

Department

Biology

First Advisor

Dr. Asma Al Menhali

Abstract

The biological functions of vitamin D (VD) are diverse. It influences immunological response, cell proliferation and differentiation, and calcium homeostasis. However, over one billion people globally are VD deficient. The VD receptors, VDR and PDIA3, mediate the biological activities of VD. Studies on the biological roles of VD are numerous but very little on the stomach. The stomach is divided into three main parts – forestomach, corpus and antrum. Gastric glands, which make up the functional units of the stomach, are made up of numerous cell lineages and are located in the corpus and antrum, which are the glandular parts of the stomach. The rate of cell division and apoptosis in a healthy stomach is balanced, but it is uncertain what drives the differentiation of stem cells, the formation of different cell lineages, and the balance between cell proliferation and mortality. This project aims to understand how gastric homeostasis is affected by VD deficiency caused by exposure to darkness alone or combined with VD deficient diet and at two different time points – seven and twelve months. Three groups of C57/BL6 mice were subjected to the various light exposure conditions and diets (n = 8–12/group), control— SDL (Standard Diet/Light) in 12 h/12 h light/dark, SDD (Standard Diet/Dark) in 24 h dark and VDD (VD deficient diet/Dark) 24h dark. The stomach corpora and antra from both age groups were collected for various multi-label lectin-/immuno-histochemical, qRT-PCR experiments, and the sera were used for LC-MS-MS. Transmission electron microscopy (TEM) and western blot were performed on 12M gastric corpus. The gastric adenocarcinoma cell line, AGS, was used for in vitro studies. By administering antagonists of the corresponding VD receptors, VD deficiency was induced in the AGS cells. By examining two major proteins, p-AKT and p-ERK1/2, which are involved in cell survival and proliferation, respectively, it was possible to study the contribution of VD and the two receptors, PDIA3 or VDR, in maintaining the balance between cell division and apoptosis of gastric cells. Long-term (12M) VD deficiency caused the cell layers in the gastric corpus to become disorganized, with an increase in the zymogenic cell (ZC) lineage in the SDD group, low acid secretion and a rise in the epimers. In the VDD group, there was an increase in mucus cell lineage (p < 0.05); higher apoptotic (p ≤ 0.001) and reduced proliferation rates (p < 0.05); and reduced gastric acid secretion (p ≤ 0.0001). The VDD mice in the 7M study showed remarkable variations from the SDL animals, including decreased mucins-mRNA (p ≤ 0.0001); increased apoptotic cells (p ≤ 0.001) and decreased cell proliferation (p < 0.05) and an increase in acid secretion (p ≤ 0.0001). TEM studies revealed that the zymogenic and parietal cells of the VDD animals underwent the largest ultrastructural alterations due to chronic VD deficiency. The stomach antra exhibited considerable changes due to VD insufficiency. Antra of 7M SDD mice, had upregulation of the mucous cell lineages, Muc5ac (p ≤ 0.0001); Muc6 (p ≤ 0.0001). The number of endocrine cell lineages increased in the absence of light in SDD mice. Mucins were downregulated in VDD mice, and the cell turnover rates were altered. The significant downregulation of p-AKT and pERK1/2 in the 12M VDD mice showed that VD deficiency had an impact on the AKT-ERK1/2 pathways, which was supported by in vitro studies using AGS cells. VD deficiency caused changes in the antra at the same treatment times. In conclusion, our results indicated that the gastric mucosa of Vddeficient mice underwent a cellular transformation because of the alterations brought on by VD deficiency. This work will benefit the field of gastroenterology by advancing the understanding of how VD and PDIA3/VDR are engaged in preserving gastric epithelial homeostasis and how VD deficiency is associated with pathological changes such as changes in gastric acidity and altered cellular turnover in the stomach.

Arabic Abstract


تأثير نقص فيتامين د على الخلايا الطلائية وأحماض معدة الفئران على المدى المتوسط و البعيد

تتنوع الوظائف الحيوية لفيتامين د. حيث يؤثر على الاستجابة المناعية، تكاثر الخلايا، تمايزها، وتوازن الكالسيوم. مع ذلك، يعاني أكثر من مليار شخص على مستوى العالم من نقص فيتامين د. وثقت العديد من الدراسات الأدوار الحيوية لفيتامين د، ولكنها، حتى الآن لم تتطرق كثيراً لدوره في المعدة. تلعب مستقبلات (VDR) و(PDIA3) دوراً مهماً في الأنشطة الحيوية لفيتامين د. حيث تتكون المعدة من غدد تضم أنواع خلايا متعددة. يعتبر معدل انقسام الخلايا وموتها المبرمج في غدة المعدة السليمة متوازن، لكن من غير المؤكد ما الذي يدفع الخلايا للتمايز وتشكيل أنواع خلايا مختلفة، وما الذي يسبب التوازن بين تكاثر الخلايا وموتها. لهذا، سعت دراستنا لفهم تأثير نقص فيتامين د على توازن المعدة الناجم عن التعرض للظلام وحده أو نقص فيتامين د في النظام الغذائي في مدتين زمنيتين مختلفتين - في سبعة أشهر واثني عشر شهرًا، تعرضت ثلاث مجموعات من الفئران للضوء ووجبات غذائية مختلفة (12-8=n/مجموعة)، - مجموعة تضم نظام غذائي قياسي وضوء (12 ساعة ضوء/12 ساعة ظلام)، مجموعة تضم نظام غذائي قياسي وظلام (24 ساعة في الظلام)، ومجموعة تضم نظام غذائي ينقصه فيتامين د وفي الظلام (24 ساعة في الظلام). في هذا البحث، تم جمع عينات من جدار المعدة للعديد من التحاليل كدراسة الانسجة، والتعبير الجيني باستخدام تقنية الـqRT-PCR، الفحص المجهري الإلكتروني (TEM)، ودراسة معدل البروتينات في المعدة وبالإضافة إلى استخدام خلايا سرطان المعدة (AGS).أثبتت نتائجنا أن نقص فيتامين د تسبب في اختلال توازن خلايا المعدة، زيادة سلالات خلايا معينة، وانخفاض إفرازات حمض المعدة. علاوة على ذلك، كانت هناك زيادة في نسب الخلايا المخاطية، زيادة في موت الخلايا المبرمج انخفاض في معدلات الانقسامات الخلوية، وانخفاض إفراز حمض المعدة. نتائجنا هذه أظهرت لأول مرة أن الخلايا المفرزة للإنزيمات والخلايا الجدارية التي تعرضت لنقص فيتامين د خضعت لتغييرات متعددة ومنها التغير الملحوظ في شكل الخلايا. كذلك، أظهرت دراستنا أن جدار المعدة تعرض لتغيرات كبيرة بسبب قصور فيتامين د، منها تغيرات في الخلايا المخاطية. إضافة إلى ذلك، أثر نقص فيتامين د على عدد من الخلايا الغدد الصماء ونشاطها. أيضا، أثبتت هذه الدراسة أن نقص فيتامين د كان له تأثير على سلسلة الإشارات الخلوية AKT-ERK1/2، والتي تم دعمها من خلال دراسة معدل البروتينات باستخدام خلايا سرطان المعدة. أخيرا بينت دراستنا أن الغشاء المخاطي في معدة الفئران قد خضع لتحول خلوي بسبب التغيرات الوظيفية الناجمة عن نقص فيتامين د. تعد هذه النتائج ذات أهمية كبيرة في مجال أمراض الجهاز الهضمي وتعزز فهم كيفية مشاركة فيتامين د في الحفاظ على التوازن في المعدة وكيفية ارتباط نقص فيتامين د بالتغيرات المرضية مثل التغيرات في حموضة المعدة وتغير معدل انقسام الخلايا في المعدة.

Download

Share

COinS