Сообщество микроорганизмов, обитающих в кишечнике, известное как микробиом, работает в тандеме с генами организма-хозяина, регулируя секрецию инсулина, что является ключевой переменной в возникновении метаболического заболевания диабета..
Это основной вывод исследования, опубликованного в журнале Cell Reports группой под руководством исследователей из Университета Висконсин-Мэдисон Алана Атти и Федерико Рей. В новом отчете описываются эксперименты на мышах, показывающие, как генетическая изменчивость животного-хозяина формирует микробиом - богатую экосистему преимущественно полезных микроорганизмов, обитающих в кишечнике, - и накрывает стол для возникновения метаболических заболеваний.
«Мы пытаемся использовать генетику, чтобы выяснить, как микроорганизмы влияют на диабет и обмен веществ», - объясняет Атти, профессор биохимии из Университета Вашингтона в Мэдисоне и соавтор нового исследования.
Рассматривая сложное взаимодействие генов, диеты и триллионов микроорганизмов, живущих в кишечнике людей и других животных, Рей, Атти и их коллеги начинают выяснять тонкости того, как гены хозяина формируют состав микробиома и вносят свой вклад в фенотип животного и, в конечном счете, в метаболическое заболевание, вызванное диетой.
На метаболические заболевания, такие как диабет, уже давно известно, что на них влияют как гены, так и диета. Понимание роли микробов, которые живут в кишечнике и помогают перерабатывать питательные вещества, не только обещает более полное понимание связи между генами, питанием и болезнями, но также может стать путем к выявлению генов, ответственных за такие состояния, как диабет.
«Мы спрашиваем, существует ли цепочка причинно-следственной связи между микробиотой кишечника и фенотипом (болезни)», - говорит Атти. «Генетика - это якорь. Если что-то связано с геном, это действительно причинно-следственная связь, а не просто корреляция».
Чтобы использовать этот подход, в новом исследовании, проведенном в Висконсине, использовалась когорта из восьми линий мышей, чья генетика в совокупности отражает генетическое разнообразие человеческой популяции.
«Эти мыши демонстрируют огромное фенотипическое разнообразие», - говорит Атти. «Некоторые худые. Некоторые подвержены ожирению. Некоторые устойчивы к ожирению. Некоторые из этих фенотипов могут частично передаваться кишечной микробиотой».
Подсказки о влиянии генов на состав микробиома появились в результате экспериментов, в которых мышей выращивали в стерильной среде и сажали на диету с высоким содержанием жиров и сахара. С помощью трансплантации фекалий микробиомы можно эффективно обменивать между штаммами, помогая исследователям сосредоточиться на взаимодействии между генами и микробиомом.
«Наше исследование предполагает, что многие генетические вариации, которые мы наблюдаем среди этих восьми линий мышей, отражаются в их микробиомах», - отмечает Рей, профессор бактериологии из Университета Вашингтона в Мэдисоне и соавтор исследования.«И у нас есть доказательства того, что состав кишечной микробиоты контролируется геномами мышей. Мы пытаемся найти гены, которые контролируют состав кишечной микробиоты и (диктуют) фенотип хозяина».
В ответ на диету группа из Висконсина наблюдала «заметную вариацию» у мышей, чья генетика делает их предрасположенными к диабету. Они также заметили сопутствующие изменения в составе кишечных микробиомов животных. Некоторые бактерии, по словам Рей и Атти, могут быть связаны с метаболическими характеристиками, такими как масса тела, уровень глюкозы и инсулина.
Микробиом играет решающую роль в переработке питательных веществ. Пища, не метаболизируемая непосредственно хозяином, таким как мышь или человек, впоследствии перерабатывается в кишечнике бактериями микробиома. Когда микробы усваивают пищу, они производят невероятное количество малых молекул, химических веществ и гормонов, которые циркулируют в организме хозяина и могут влиять на здоровье животного.
Среди этих метаболитов, возможно, целых 20 000, есть так называемые жирные кислоты с короткой цепью, которые служат сигнальными молекулами в кишечнике и связанных с ним органах, таких как печень и поджелудочная железа. В частности, они являются ключевыми регуляторами энергии и глюкозы.
Кишечные микробы также влияют на физиологию хозяина, модифицируя желчные кислоты, вырабатываемые печенью, которые также перерабатываются микробиомом с образованием вторичных метаболитов, которые могут оказывать влияние на болезни и здоровье.
Мыши в исследовании, которые были переведены на богатую диету и получили трансплантаты микробиома, помогли команде из Висконсина выявить функциональные различия, связанные с двумя разными трансплантированными микробиомами, включая связь между кишечным микробиомом и секрецией инсулина.