Кишечные бактерии делают гораздо больше, чем помогают переваривать пищу в желудках своих хозяев, они также могут указывать генам своих хозяев-млекопитающих, что делать.
Исследование, опубликованное сегодня в журнале Cell, описывает форму «межвидовой коммуникации», при которой бактерии выделяют особую молекулу - оксид азота, - которая позволяет им общаться и контролировать ДНК своих хозяев, и предполагает, что общение между два могут широко влиять на здоровье человека.
Исследователи из Медицинской школы Университета Кейс Вестерн Резерв, Медицинского центра Университета Кливленда и Гарвардской медицинской школы отследили оксид азота, выделяемый кишечными бактериями внутри крошечных червей (C. elegans, обычная лабораторная модель млекопитающих). Оксид азота, выделяемый кишечными бактериями, прикрепленными к тысячам белков-хозяев, полностью меняет способность червя регулировать экспрессию собственных генов.
Исследование впервые показало, что кишечные бактерии могут подключаться к сетям оксида азота, повсеместно встречающимся у млекопитающих, включая человека. Оксид азота присоединяется к человеческим белкам тщательно регулируемым образом - процесс, известный как S-нитрозилирование, - и нарушения в значительной степени связаны с такими заболеваниями, как болезнь Альцгеймера, болезнь Паркинсона, астма, диабет, болезни сердца и рак..
Выводы показывают, что оксид азота является общим механизмом, с помощью которого кишечные бактерии могут общаться с хозяевами-млекопитающими. Предыдущая работа по распутыванию линий связи между кишечными бактериями была в основном сосредоточена на редких молекулах, которые выделяют бактерии. Новые результаты сродни обнаружению химического языка, общего для всех видов, в отличие от отдельных слов, сказал старший автор Джонатан Стэмлер, доктор медицинских наук, директор Института трансформационной молекулярной медицины в Медицинской школе Университета Кейс Вестерн Резерв и президент Harrington Discovery. Институт при университетских больницах Кливлендского медицинского центра. «Кишечник чрезвычайно сложен, и многие исследователи ищут следующее необычное вещество, вырабатываемое бактерией, которое может повлиять на здоровье человека», - говорит он. Имея в среднем триллионы бактерий в кишечнике, Стамлер решил найти общий язык, который могли бы использовать все виды бактерий. «Огромность популяции кишечных бактерий и их связь с хозяином предсказывают, что будут общие средства коммуникации, которые мы, люди, сможем распознать».
Исследователи продемонстрировали это явление, кормя развивающихся червей бактериями, которые производят оксид азота. Затем они выбрали один очень важный белок - белок argonaute, или ALG-1, - который очень консервативен от червей до человека и подавляет ненужные гены, в том числе гены, важные для развития. При выделении оксида азота бактериями, прикрепленными к ALG-1, у них развились деформированные репродуктивные органы, и они погибли. Слишком большое количество оксида азота из бактерий приводило к подавлению белков ДНК червей и нарушало их здоровое развитие.
«Практически животные этого не допустят», - сказал Стамлер. Вместо этого авторы предполагают, что хозяин-млекопитающее за пределами лабораторных условий приспособится к изменению уровня оксида азота. Сказал Стамлер: «Червь сможет перестать есть бактерии, которые производят оксид азота, или он начнет есть другие бактерии, которые производят меньше оксида азота, или изменит свою среду, или бесчисленное множество других приспособлений. То есть слишком много оксида азота, вырабатываемого нашим микробиомом, может вызвать заболевание или проблемы с развитием плода».
Исследование добавляет к растущему количеству доказательств того, что бактерии, живущие в кишечнике, определяемые диетой и окружающей средой, имеют огромное влияние на здоровье млекопитающих. Стамлер полагает, что оксид азота может дать возможность манипулировать этими симбиотическими отношениями. Подобно тому, как пробиотики предназначены для улучшения пищеварения, возможно заражение кишечника человека бактериями для улучшения передачи сигналов оксида азота. «Теперь я думаю об этом с терапевтической точки зрения, как о лекарстве. Существуют огромные возможности манипулирования оксидом азота для улучшения здоровья человека».
Хотя оксид азота и S-нитрозилирование могут быть общим способом межвидовой коммуникации с широкими последствиями для здоровья, это потребует дополнительных будущих исследований. Будет ли оксид азота единственным химическим каналом связи? «По сути, мы наблюдаем открытие нового поля для общих стратегий коммуникации», - говорит Стамлер. «Будут и другие».