Было показано, что сообщество микроорганизмов, обитающих в кишечнике, известное как микробиом, работает в тандеме с генами организма-хозяина, регулируя секрецию инсулина, ключевую переменную в начале метаболического диабета.
Это основной вывод исследования, опубликованного на этой неделе (февраль. 14, 2017) в журнале Cell Reports группой исследователей Университета Висконсин-Мэдисон Аланом Атти и Федерико Рей. В новом отчете описываются эксперименты на мышах, показывающие, как генетическая изменчивость животного-хозяина формирует микробиом – богатую экосистему, состоящую в основном из полезных микроорганизмов, обитающих в кишечнике, – и задается таблица для начала метаболических заболеваний.
"Мы пытаемся использовать генетику, чтобы выяснить, как насекомые влияют на диабет и метаболизм," объясняет Атти, профессор биохимии из Университета штата Мэриленд и автор-корреспондент нового исследования.
Избавившись от сложного взаимодействия генов, диеты и триллионов микроорганизмов, обитающих в кишечнике людей и других животных, Рей, Атти и их коллеги начинают понимать тонкости того, как гены-хозяева формируют состав микробиома и вносят свой вклад к фенотипу животного и, в конечном итоге, к метаболическому заболеванию, вызванному диетой.
Давно известно, что на метаболические заболевания, такие как диабет, 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, диетой и заболеванием, но также может быть путем к точному выявлению генов, ответственных за такие состояния, как диабет.
"Мы спрашиваем, существует ли причинно-следственная связь 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 в Висконсине использовалась когорта из восьми линий мышей, генетика которых 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 микробиотой кишечника."
Ключ к разгадке влияния генов на состав микробиома появился в экспериментах, в которых мышей выращивали в среде, свободной от микробов, и им давали диету с высоким содержанием жира и сахара. Посредством фекальной трансплантации микробиомы можно эффективно продавать между различными штаммами, что помогает исследователям сосредоточиться на взаимодействии между генами и микробиомом.
"Наше исследование предполагает, что большая часть генетических вариаций, которые мы видим среди этих восьми линий мышей, отражена в их микробиомах," отмечает Рей, профессор бактериологии из Университета штата Вашингтон в Мэдисоне и автор-корреспондент исследования. "И у нас есть доказательства того, что состав микробиоты кишечника контролируется геномами мышей. Мы пытаемся найти гены, которые контролируют состав микробиоты кишечника и (диктуют) фенотип хозяина."
В ответ на диету группа из Висконсина наблюдала "замечательная вариация" у мышей, генетика которых делает их склонными к диабету. Они также заметили сопутствующие изменения в составе микробиомов кишечника животных. Некоторые бактерии, согласно Рей и Атти, могут быть связаны с такими метаболическими особенностями, как масса тела, а также уровни 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. По мере того, как микробы метаболизируют пищу, они производят удивительное количество небольших молекул, химических веществ и гормонов, которые циркулируют в организме хозяина и могут влиять на здоровье животного.
Среди этих метаболитов, возможно, всего около 20000, есть так называемые короткоцепочечные жирные кислоты, 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, изменяя желчные кислоты, вырабатываемые печенью, которые также обрабатываются микробиомом для производства вторичных метаболитов, которые могут оказывать влияние на болезнь и здоровье.
Мыши, участвовавшие в исследовании, которых посадили на обильную диету и получили трансплантаты микробиома, помогли команде из Висконсина выявить функциональные различия, связанные с двумя разными трансплантированными микробиомами, включая связь между микробиомом кишечника и секрецией инсулина.