Кишечная бактерия обеспечивает защиту от патогенов через микробиом

Совокупность бактерий, вирусов и грибов, существующих в многоклеточном организме и на нём, формирует его естественный микробиом. Взаимодействия между организмом и этими микроорганизмами значительно влияют на функции и здоровье организма-хозяина. Исследователи предполагают, что микробиом играет важную роль, среди прочего, в защите от патогенов.

В рамках Коллаборативного исследовательского центра (CRC) 1182 "Происхождение и функция метаорганизмов" в Кильском университете в течение нескольких лет исследуют сложное взаимодействие между организмами-хозяевами и микроорганизмами на различных модельных организмах, включая нематоду Caenorhabditis elegans.

В новом исследовании учёные из CRC 1182 получили новые данные о молекулярных механизмах внутри микробиома, которые способствуют защите от патогенов. В сотрудничестве с учёными из Института наземной микробиологии Макса Планка и Эдинбургского университета они обнаружили, что защитная бактерия рода Pseudomonas, обнаруженная в кишечном микробиоме C. elegans, производит сфинголипиды.

Этот результат стал неожиданным, так как ранее считалось, что производство сфинголипидов ограничено лишь несколькими бактериальными типами, а бактерии рода Pseudomonas не были известны способностью производить эти специфические молекулы.

Исследователи обнаружили, что Pseudomonas использует альтернативный метаболический путь для производства сфинголипидов, который значительно отличается от известных путей синтеза сфинголипидов у других бактерий. Они также смогли показать, что сфинголипиды, производимые бактериями Pseudomonas, играют важную роль в защите кишечного эпителия хозяина от повреждений патогеном.

За производство сфинголипидов у бактерий Pseudomonas отвечает специфический биосинтетический генный кластер, который формирует ферменты для этого нового метаболического пути. Интересно, что похожие генетические кластеры были также найдены у других бактерий, ассоциированных с кишечником хозяина, что предполагает, что способность производить сфинголипиды может быть более распространённой, чем считалось ранее. Это указывает на то, что бактериальные сфинголипиды могут играть центральную роль в опосредованной микробиомом защите от инфекции — не только у C. elegans, но и потенциально у других организмов-хозяев.

Результаты междисциплинарного исследования, проведённого под руководством PD д-ра Катьи Диринг (исследовательская группа "Эволюционная экология и генетика" Кильского университета), в сотрудничестве с другими исследовательскими группами из Киля, а также национальными и международными партнёрами, недавно были опубликованы в журнале Nature Communications.

В 2019 году кильская исследовательская группа опубликовала в Current Biology исследование, показавшее, что определённые представители микробиоты C. elegans защищают от инфекции патогенами. "Мы знали, что один вид Pseudomonas может защищать червя от инфекций. Однако мы ещё не могли идентифицировать вовлечённые в это вещества и механизмы", — подчёркивает д-р Лена Петерс, учёный из исследовательской группы "Эволюционная экология и генетика".

В рамках широкого сотрудничества учёных как внутри CRC 1182 — включая кильских профессоров Кристофа Калету и Мануэля Лиебеке — так и с внешними учёными, включая профессора Хельге Боде из Института наземной микробиологии Макса Планка в Марбурге и профессора Доминика Кампопиано из Эдинбургского университета в Шотландии, был проанализирован генетический и метаболический базис защиты от инфекции, опосредованной микробиомом.

Используя метаболические и транскриптомные исследования, анализы отдельных молекул и методы масс-спектрометрии, исследователи сделали неожиданное открытие: они смогли доказать, что защитные бактерии рода Pseudomonas производят сфинголипиды, которые влияют на сфинголипидный метаболизм червя и таким образом поддерживают защиту хозяина от патогенов.

"Это открытие относительно новое, — объясняет Петерс, член CRC 1182. — Обычно бактерии используют сфинголипидный метаболизм организмов-хозяев, чтобы целенаправленно манипулировать им для продвижения инфекций. В нашем случае мы наблюдаем обратное — бактериальные сфинголипиды, по-видимому, активно поддерживают защиту хозяина".

Сфинголипиды — это жироподобные молекулы, которые типично встречаются у эукариот, где выполняют важные структурные и регуляторные функции, но редки у бактерий. У Pseudomonas они синтезируются через ранее неизвестный, альтернативный метаболический путь — не как компонент первичного метаболизма, как это обычно бывает, а как так называемый вторичный метаболит.

Исследователи обнаружили, что этот ранее неизвестный метаболический путь основан на специфическом биосинтетическом генном кластере, так называемой поликетидсинтазе. "Нашими экспериментами мы смогли подтвердить, что черви выживали лучше в присутствии бактерий Pseudomonas fluorescens, обладающих этим генным кластером, когда они были инфицированы патогеном Bacillus thuringiensis", — подчёркивает Петерс, первый автор исследования.

После идентификации ответственных генов учёные смогли подтвердить дальнейшими анализами, что генный кластер кодирует ферменты, необходимые для синтеза сфинголипидов. "Захватывающе быть авторами этой важной, прорывной работы. Мы рады, что наш опыт в исследовании бактериальных сфинголипидов помог открыть новую роль этих загадочных липидов в микробиоме червя", — говорит проф. Кампопиано.

"Защитный механизм против инфекций B. thuringiensis, по-видимому, работает косвенно. Липиды, производимые Pseudomonas, влияют на сфинголипидный метаболизм червя, что, предположительно, приводит к улучшенной барьерной функции кишечных клеток", — объясняет Петерс.

Когда червь инфицирован B. thuringiensis, токсины патогена создают небольшие поры в клеточной мембране хозяина, что облегчает проникновение патогенов. "Мы предполагаем, что модифицированный P. fluorescens сфинголипидный метаболизм укрепляет стабильность и устойчивость клеточных мембран — и таким образом предлагает эффективную, косвенную защиту от патогенов", — продолжает Петерс.

"В целом, новая исследовательская работа расширяет наше понимание того, как микробные метаболиты поддерживают защиту хозяина от патогенов", — говорит Диринг, независимый руководитель группы в исследовательской группе "Эволюционная экология и генетика".

В долгосрочной перспективе исследователи из CRC 1182, которые также активны в приоритетной исследовательской области Кильского университета Kiel Life Science (KLS), надеются, что лучшее знание таких фундаментальных механизмов также позволит влиять на нарушения микробиома кишечника человека, что может привести к лучшим вариантам лечения для множества связанных заболеваний.