CC BY
82УДК 577.121.9 DOI: 10.37279/2224-6444-2020-10-2-95-103
ОСОБЕННОСТИ МЕТАБОЛИЧЕСКОГО СОПРЯЖЕНИЯ В СИСТЕМЕ «СУПЕРОРГАНИЗМА» (ХОЗЯИН - МИКРОБИОТА)
Шестопалов А. В.12, Шатова О. П.1, Комарова Е. Ф.1, Румянцев С. А.1
'Российский национальный исследовательский медицинский университет им. Н. И. Пирогова (РНИМУ им. Н. И. Пирогова), 117997, ул. Островитянова, 1, Москва, Россия
2НМИЦ «Детской гематологии, онкологии и иммунологии имени Дмитрия Рогачева», 117997, Москва, ул. Саморы Машела, 1
Для корреспонденции: Шатова Ольга Петровна, доцент кафедры биохимии и молекулярной биологии лечебного факультета, РНИМУ им. Н. И. Пирогова, e-mail: [email protected]
For correspondence: Shatova O. P., Associate Professor of Biochemistry and Molecular Biology of the Medical Faculty, N. I. Pirogov Russian National Research Medical University, e-mail: [email protected]
Information about authors:
Shestopalov A. V., https://orcid.org/ 0000-0002-1428-7706 Shatova O. P., https://orcid.org/ 0000-0003-4265-1293 Komarova E. F., https://orcid.org/ 0000-0002-7553-6550 Rumyantsev S. A., https://orcid.org/ 0000-0002-7418-0222
РЕЗЮМЕ
На сегодняшний день считается, что организм человека и микробиота кишечника сосуществуют в метаболическом сопряжении, основанном на принципе мутуализма. Основной метаболической функцией микробиотической популяции кишечника является гиперпродукция короткоцепочечных жирных кислот, выполняющих энергетическую функцию, как для микроорганизмов, так и для клеток человека, регулирующих quorum sensing и участвующих в ответе иммунокомпетентных клеток макроорганизма через специфические сигнальные механизмы. Также характерным звеном в метаболическом сопряжении «суперорганизма» являются метаболические пути обмена триптофана и, соответственно, индолов, кинуренинов и серотонина. Индол выполняет роль межвидовой сигнальной молекулы и отвечает как за бактериальный quorum sensing, так и за регуляцию дифференцировки нервной ткани. Многие метаболические пути превращения триптофана амплифицированы микробиотическим сообществом, однако, образование кинуреновой кислоты, которая является сигнальной молекулой в энергетическом метаболизме, характерно только для макроорганизма. Следует отметить роль мембранных бактериальных везикул во взаимодействии хозяина и микробиоты как носителей факторов вирулентности и других модуляторов функции клеток макрорганизма. Несмотря на значительное количество исследований, метаболическое сопряжение системы «хозяин - микробиота» остаётся малоизученным. В связи с этим, целью данного обзора было осветить некоторые аспекты метаболического взаимодействия макроорганизма и его микробиоты.
Ключевые слова: микробиота; триптофан; кинуренины; короткоцепочечные жирные кислоты; индолы; метаболическое сопряжение; бактериальные везикулы.
FEATURES OF METABOLIC COUPLING IN THE «SUPERORGANISM» SYSTEM (HOST - MICROBIOTA)
Shestopalov A. V.12, Shatova O. P.1, Komarova E. F.1, Rumyantsev S. A.1
*N. I. Pirogov Russian National Research Medical University, Moscow, Russia
2Dmitry Rogachev National Medical Research Center of Pediatric Hematology, Oncology and Immunology, Moscow, Russia
SUMMARY
Today, it is believed that the human body and the intestinal microbiota exist in a metabolic coupling based on the principle of mutualism. The main metabolic function of the intestinal microbiotic population is the hyperproduction of short-chain fatty acids, which perform an energy function for both microorganisms and human cells, regulate the quorum and participate in the response of immune cells of the macroorganism through specific signaling mechanisms. Also, a characteristic link in the metabolic coupling of the «superorganism» is the metabolic pathways of tryptophan and, respectively, indoles, kynurenines and serotonin. Indole acts as an interspecific signaling molecule and is responsible for both the bacterial quorum and, for example, regulates the differentiation of nerve tissue. Many metabolic pathways of tryptophan conversion are amplified by the microbiotic community, but the formation of kynurenic acid, which is a signal molecule in energy metabolism, is characteristic only for the macroorganism. It should be noted the role of membrane bacterial vesicles in the interaction of the host and the microbiota as carriers of virulence factors and other modulators of the function of macroorganism cells. Despite a significant amount of research, the metabolic coupling of the «macroorganism - gut microbiota» system remains poorly understood. In this regard, the purpose of this review was to highlight some aspects of the metabolic interaction of the macroorganism and its microbiota.
Key words: the microbiome; tryptophan; kynurenine; short-chain fatty acids; indoles; metabolic coupling; bacterial vesicles.
2020, т. 10, № 2
В настоящее время организм человека принято рассматривать с позиций «суперорганизма», который представлен макроорганизмом и микроорганизмами, численный состав которых, равно как и их разнообразие, зависит от возраста, пола, национальной принадлежности и соматического состояния макроорганизма [1; 2; 3]. Численно геном микроораганизмов превосходит в несколько раз геном организма человека и составляет около 99 % от суммарного генома «суперорганизма» [4]. Исходя из существенного превалирования микробиотического генома, следует сделать вывод, что макроорганизм осуществляет хостинг нужной ему генетической информации и, как из «облачного хранилища», извлекает нужные ему для гомеостаза метаболиты. Очевидно, что отсутствие микробиотического органа или его серьёзное повреждение является не совместимым с жизнью.
Целью нашего обзора было проанализировать некоторые механизмы метаболического сопряжения макроорганизма и микробиоты кишечника. Под «метаболическим сопряжением» мы пониманием делегирование микробиотической популяции целого ряда метаболических функций макроорганизма, а также симультанное восприятие «суперорганизмом» целого пула метаболитов и сигнальных молекул.
Известно, что большая часть микроорганизмов человека живёт в толстой кишке (около 60 %) [5]. Видимо это обусловлено тем, что основной процесс переваривания и всасывания происходит проксимально, и макроорганизм беспрепятственно всасывает необходимое ему количество эссенциальных веществ. При этом микробиоту принято подразделять на резидентную (облигатную), которая составляет 90 % всех микроорганизмов, факультативную, которая составляет около 9,5 %, и транзиторную (случайную), количество которой не превышает 0,5 % [6]. Микробиота каждого человека уникальна по видовому составу, разнообразию и количеству микроорганизмов. Число микроорганизмов увеличивается с рождения и достигает своей высшей точки в подростковом возрасте, а к старости имеет тенденцию к снижению [3]. Данный факт должен привлечь внимание специалистов, которые занимаются anti-aging терапией (коррекция микробиотического профиля кишечника должна стать обязательным её компонентом).
Роль микробиотических короткоцепочеч-ных жирных кислот
Образование короткоцепочечных жирных кислот (КЦЖК) одна из ключевых метаболических функций филометаболического ядра кишечной микробиоты [3]. При этом основным источником энергии и углерода при продукции
КЦЖК являются углеводы. Следует отметить, что человеческий геном кодирует всего лишь 17 ферментов для переваривания углеводов, тогда как некоторые бактерии кишечника, такие как Bacteroides thetaiotaomicron, кодируют более 260 различных гликозидаз [7]. Интересно, что бактероиды производят преимущественно ацетат и пропионат, тогда как фирмикуты продуцируют преимущественно бутират [7].
КЦЖК являются топливными молекулами для микроорганизмов и в то же время выполняют регуляторную функцию для всего «суперорганизма». Следует отметить, что около 95 % из энтеральных КЦЖК попадает в макроорганизм (до 1 моль/сутки) [3]. КЦЖК транспортируются через монокарбоксилатный транспортёр 1 (МКТ1) энтероцитов или пассивным транспортом [8] и в макроорганизме также выполняют энергетическую функцию. Для колоноцитов бутират является главной топливной молекулой [7] и на 70 % покрывает их энергетические потребности, так как вовлекаются в цикл трикар-боновых кислот (ЦТК) метаболизируясь в аце-тил-КоА [8]. Также КЦЖК ацетат является энергетически значимой молекулой для миокарда, головного мозга, мышечной ткани и почек макроорганизма. Таким образом КЦЖК, которые образуют представители микробиотических популяций в кишечнике являются энергетически значимыми как для самих микроорганизмов, так и для различных органов и тканей, в том числе для клеток кишечника.
Основным поставщиком КЦЖК - формиата, ацетата, пропионата и бутирата -является процесс окисление глюкозы в микроорганизмах. Тогда как изомасляная и изовалериановая кислоты образуются при катаболизме аминокислот с разветвлённым боковым радикалом (валина и лейцина). Однако роль КЦЖК не ограничена только энергетической функцией. Она также заключается в регуляции кровообращения в слизистой оболочке кишечника (пропионатом и бутиратом) [3]. Кроме того показано, что про-пионат, лактат и ацетат угнетают прикрепление условно-патогенных микроорганизмов к слизистой кишечника и оказывают позитивное влияние на клеточную пролиферацию колоноцитов. Примечательно, что бутират стимулирует рост и пролиферацию колоноцитов в норме, тогда как на клетки гепатоцеллюлярной карциномы и аденокарциномы кишечника бутират оказывает антипролиферативное действие. Этот феномен получил своё название - «парадокс бутирата». Он объясняется тем, что бутират ингибирует деацетилазы гистоновых белков и стимулирует ацетилирование последних, подавляя таким образом пролиферацию опухолевых клеток [3].
Однако не только бутират ингибирует деацети-лазы гистоновых белков. Так, аналогичным действием обладают кислоты, которые образуются из аминокислот с разветвлённым радикалом [7].
Известно, что КЦЖК - кишечный бутират и пропионат - препятствуют развитию ожирения [9]. Установлено, что у пациентов с ожирением отмечается низкое микробное разнообразие и истощение таксонов метаболического микробиотического ядра [10]. Видимо, важное значение при развитии ожирения играет подавление или снижение бутират-продуцирующей популяции микроорганизмов в кишечнике. Бутират, как и индол, стимулирует продукцию энтероэн-докринными клетками кишечника глюкагоно-подобного пептида-1 (ГПП-1) [11], а он, в свою очередь, оказывает стимулирующие действие на глюконеогенез в эпителиальных клетках слизистой оболочки кишечника и энергетический обмен макроорганизма, а также влияет на пищевое поведение. В эксперименте на животных показано, что КЦЖК стимлируют энтероэндокринные клетки кишечника посредством митоген-акти-вируемого киназного пути, отвечают за образование ГПП-1 в них и липогенез в печени [11]. Также было показано, что КЦЖК активируют продукцию ГПП-1, воздействуя на рецепторы свободных жирных кислот (РСЖК) 2-го и 3-го типов [12]. Вместе с тем, такие же рецепторы гипреэкспрессированы в поджелудочной железе, что позволяет КЦЖК (ацетату, пропионату и бутирату) повышать секрецию глюкагона и подавлять секрецию панкреатических соматоста-тина и инсулина [12].
Пропионат также оказывает стимулирующее действие на локальный колоноцитарный глюко-неогенез. Так, при проведении плацебо-контро-лируемого изучения влияния инулин-пропиона-та у женщин склонных к ожирению установили, что данное производное КЦЖК снижает индекс массы тела, уменьшает аппетит и повышает концентрацию ГПП-1 в сыворотке крови [13].
Quorum sensing (QS) и аутоиндукторы в метаболическом сопряжении макроорганизма и микробиоты кишечника
QS - это процесс бактериального синхронного взаимодействия, включающий в себя продукцию аутоиндукторов (АИ), их сигналинг (и, соответственно ответ на АИ), а также регуляцию их продукции [14]. Однако, существующее понимание QS несовершенно, так как имеется ещё и сопряжение через АИ между микроорганизмами и макроорганизмом. Интересно, что к АИ относится и КЦЖК ацетат: так, в частности, на примере Escherichia coli было показано, что ацетат дозо-зависимо влияет на смену фаз развития культуры этого естественного симбионта человека [3].
Кроме ацетата показана регуляторная роль в QS производного аминокислоты триптофан -индола, который продуцируется многими представителями кишечной микробиоты [15]. Индол выступает молекулой QS для Escherichia coli и регулирует экспрессию гена мультилекарствен-ного экспортёра (MDR), отвечает за формирование биоплёнок. В недавних исследованиях показано, что индол дозозависимо снижает образование мембранных везикул (при добавлении 50 мМ индола везикуляция снижается на 52 %, тогда как при добавлении 500 мМ - на 88 %). Также известно, что на везикулогенез и синтез пиоцианина влияет хинолоновый сигнал Pseudomonas (PQS), а индол, в свою очередь, снижает синтез PQS. Таким образом, индол негативно регулирует образование PQS и положительно регулирует везикулогенез. Хорошо известно, что мембранные везикулы P. aeruginosa обладают высокой литической активностью и убивают как грамотрицательные, так и грам-положительные бактерии, поскольку содержат пептидогликан-гидролазы. Индол же демонстрирует антимикробную активность, стимулируя везикулогенез P aeruginosa [15].
Сигнальными молекулами АИ-1 являются N-ацилгомосерин лактоны (АГЛ), которые служат для межклеточной коммуникации, называемой зондированием QS. Такие регуляторные системы позволяют бактериям чувствовать клеточную плотность и локализацию в пределах микроокружения, в соответствии с которыми они синхронизируют функции всей популяции [16]. Для синтеза АГЛ используется аминокислота метионин (S-аденозилметионин) и арил-КоА (производное кумаровой кислоты, являющейся, в свою очередь, продуктом обмена аминокислоты тирозин), или ацил-КоА [17]. АГЛ синтезируют в основном протобактерии и, таким образом, оказывают регуляторное воздействие на экспрессию генов вирулентности и формирования биоплёнок у патогенов P. aeruginosa [17]. АГЛ были исторически первыми идентифицированными молекулами QS [18].
Однако известно, что АИ оказывают своё регуляторное влияние не только на QS микро-биоты кишечника, но и на клетки макроорганизма. АГЛ являются липофильными молекулами и проникают как внутрь клеток, так и в ядро, модулируя активность транскрипционного фактора NF-kB и экспрессию провоспалительных цитокинов [19]. Также АГЛ могут вызывать гибель лимфоцитов хозяина так как встраиваются в плазматическую мембрану и индуцируют растворение эукариотических липидных доменов. Это событие вытесняет рецептор фактора некроза опухоли 1а (ФНО-1а) в неупоря-
2020, т. 10, № 2
доченную липидную фазу для его спонтанной лиганд-независимой тримеризации и приводит к опосредованному каспазой-3-и каспазой-8 апоптозу [20]. Таким образом, АГЛ оказывают про-апоптотическое и иммуномодулирующее воздействие на макроорганизм [21].
АИ-2 (диэфир фуранозилбората) - это медиатор межвидовой коммуникации у грамположи-тельных и грамотрицательных бактерий. Тем не менее, термин «АИ-2» относится в более широком смысле и к фуранонам, полученным при спонтанной циклизации 4,5-дигидрокси 2,3-пен-тандиона с или без бора [16].
К АИ-3 типа относятся хинолоны и (классический представитель) PQS [16]. PQS (3-гидрокси-2-алкилхинолон) синтезируется из метаболита кинуренинового пути обмена триптофана - ан-траниловой кислоты [22]. В кишечнике антра-нилат имеет смешанное происхождение: это и метаболит бактериального шикиматного пути, и кинуренинового пути обмена триптофана в макроорганизме и в микробной популяции. Однако пока ещё не существует работ, которые демонстрировали бы вклад шикиматного и ки-нуренинового путей в содержание антранилата в кишечнике.
Макроорганизм также вовлечён в регуляцию синтеза АИ микробиотой. Так лейкоциты организма человека продуцируют антимикробный пептид - LL-37, который регулирует продукцию факторов вирулентности в группе Streptococcus [18]. Также было показано, что энтероциты имитируют бактериальный QS для сопряжения с ми-кробиомом. Энтероциты производят имитирующую АИ-2 молекулу в ответ на бактериальные метаболиты. Этот аналог АИ-2 взаимодействует с бактериальным рецептором АИ-2 LuxP/LsrB (белок-регулятор транскрипции ацилгомосе-ринлактон-синтазы класса LuxI). Авторы предполагают, что кишечник рекрутирует на помощь метаболиты микробиома при повреждении патогенами через этот путь сопряжения [18]. Таким образом, кишечные бактерии способны реагировать на сигнальные молекулы макроорганизма, модулируя экспрессию генов.
Интересно, что гормоны человека адреналин и норадреналин, а также АИ-3 используются в качестве межклеточного химического сигнала между энтерогеморрагической E. coli и макроорганизмом. Сигналы воспринимаются двухкомпо-нентной системой QseB/QseC (гистидинкиназа, отвечающая за бактериальную вирулентность) микроорганизма, которая индуцирует экспрессию второй двухкомпонентной системы QseE/QseF, которая, как полагают, участвует в экспрессии генов вирулентности, воспринимая адреналин [18]. Также существуют и другие работы, которые ука-
зывают на потенциальные интерференции между бактериальными и эукариотическими гормональными коммуникациями. Так было показано, что эстрон, уменьшает частоту регулируемого QS горизонтального переноса опухоль-индуцирующей плазмиды у Agrobacterium tumefaciens. Эстрон, эстриол и эстрадиол также снижают накопление АГЛ и экспрессию шести QS-регулируемых генов в культурах условно-патогенного возбудителя P. аeruginosa. Наконец, моделирование структурных взаимодействий между гормонами человека и АГЛ-рецепторами LasR P. aeruginosa и TraR A. tumefaciens подтвердил конкурентную связывающую способность половых гормонов человека [23].
Роль производных аминокислот в метаболическом сопряжении макроорганизма и микробиоты кишечника
Из аминокислот тирозина и фенилаланина кишечной микробиотой и организмом человека образуются фенил-карбоновые кислоты: фенил-ацетат, фенил-пропионат, фенил-лактат и фенил-бутират. Данные кислоты обладают антибактериальным, антигрибковым и противовоспалительным действием. Уровень фенил-карбоновых кислот резко повышается при заболеваниях кишечника. Также уровень фенил-лактата и индол-3-лактата значительно повышается у больных с печеночной дисфункцией [18]. Малоизученным остаётся вопрос о возможности КЦЖК являться непосредственными предшественниками в синтезе производных индола и фенола. Мы предполагаем, что между метаболизмом КЦЖК и обменом тирозина и триптофана также существует тесное сопряжение.
Лактобактерии (Lactobacillus reuteri) подавляют продукцию провоспалительных ци-токинов [24], в частности продукцию ФНО-1а первичными моноцитарными макрофагами. Недавно было установлено, что гистамин, который продуцируется L. reuteri - это ингибирующий фактор продукции ФНО-1а. Существует предположение, что в некоторых микроорганизмах кишечника гистамин может синтезироваться не только путем декарбоксилирования гистидина, но и благодаря одноуглеродным фрагментам, источником которых является тетрагидрофолиевая кислота (ТГФК). В эукариотических клетках катаболизм аминокислот, в том числе гистидина сопряжён с обменом производных ТГФК [24].
Самый большой интерес в обмене аминокислот микроорганизмами кишечника представляет метаболизм триптофана. Известно, что в кишечнике возможно превращение триптофана в индолы. При этом индол может быть образован в триптофаназной реакции (ЕС: 4.1.99.1) непосредственно из триптофана (Рис. 1). Так пока-
зано, что триптофаназа гиперэкспрессирована в микробиотической популяции при диете бога-
той мясными продуктами и индуцируется триптофаном [25].
СНп—СН—С ООН
NH3 7— Н;0 NH}
соон
Рис.1. Превращение аминокислоты триптофан в индол, пировиноградную кислоту и аммиак под
действием бактериальной триптофаназы.
Индол - межвидовая регуляторная молекула, которая участвует в формировании бактериального фенотипа [7]. В кишечнике возможно транс-аминирование триптофана с пируватом (Рис. 2) и образование аланина и идол-3-пирувата благодаря триптофанаминотрансферазе (ЕС: 2.6.1.27). Ин-
тересно, что индол-3-пируват может образоваться в оксидазной реакции в дендритных клетках и макрофагах человека (ЕС: 1.4.3.2) при лейкемии [26]. Далее индол-3-пируват может превращаться в индол-3-ацетат благодаря ферменту индол-3-пируват-монооксигеназе (ЕС: 1.14.13.168).
СНл-СН-СООН
ОН
Рис.2. Превращение аминокислоты триптофан в индол-3-пируват и аланин под действием триптофа-минотрансферазы и дальнейшее восстановление до индол-3-лактата индол-3-пируватредуктазой.
Clostridium sporogenes способны обратимо восстанавливать индол-3-пируват до индол-3-лактата благодаря наличию НАДН-зависимой индол-3-пируват-редуктазе (ЕС: 1.1.1.110) [27]. При этом следует отметить, что сам индол-3-лактат является ингибитором кинуренинамино-трансферазы I (КАТ- I, ЕС: 2.6.1.7) в нервной ткани человека [28], то есть бактериальный индол-3-лактат регулирует кинурениновый путь превращения триптофана в клетках макроорганизма. Примечательно, что у новорожденных детей Bifidobacterium в кишечнике образуют огромное количество индол-3-лактата, который, попадая в макроорганизм, отвечает за дифференцировку нервной ткани [29]! Далее в кишечнике индол-3-лактат превращается цинна-моил-КоА: фениллактатной КоА-трансферазой
С1. sporogenes в индол-3-акрилат (ЕС: 2.8.3.17) [30], а затем индол-3-акрилат превращается в индол-3-пропионат (ЕС: 1.3.8.1). Бактериальный индол-3-пропионат отвечает за барьерную функцию в кишечнике через подавление продукции ФНО-1а в колоноцитах [31].
Однако главный путь в метаболизме триптофана «суперорганизма» - это кинурениновый путь превращения. При этом свыше 95 % триптофана, не использованного для синтеза белка, метаболизируется по кинурениновому пути [32]. Благодаря гем-содержащим ферментам макроорганизма - триптофан-2,3-диоксигеназе (ТДО; ЕС: 1.13.11.11), а также индоламин-2,3-диоксигеназе (ИДО; ЕС: 1.13.11.52), которая присутствует во многих клетках организма человека, а также и у микробной популяции тол-
крымскии журнал экспериментальном и клиническои медицины
2020, т. 10, № 2
стой кишки (Pseudomonas), аминокислота триптофан превращается в N-формил^-кинуренин [1]. Данный этап в обмене кинуренина является регуляторным, и от его скорости зависят все три пути дальнейшего превращения L-кинуренина [33]. Формамидазой (ЕС: 3.5.1.9) N-формил-Ь-кинуренин превращается в L-кинуренин. Далее у L-кинуренина три возможных пути превращения: первый - кинурениназой (ЕС: 3.7.1.3) в антраниловую кислоту, второй - кинуренина-минотрансферазой (ЕС: 2.6.1.7) в кинуреновую кислоту и третий - кинуренинмонооксигеназой (ЕС:1.14.13.9) в 3-гидроксикинуренин.
Превращение в антраниловую кислоту -ключевой этап метаболизма L-кинуренина и он происходит как в микробиотической популяции кишечника (Pseudomonas, E. coli), так и в соматических клетках макроорганизма [34]. Однако образование антраниловой кислоты не происходит в энтероцитах человека, а локализовано в печени, почках, надпочечниках, лёгких, половых железах и в поджелудочной железе. Антра-ниловая кислота является смежным метаболитом и в кишечнике подвергается дальнейшему превращению в молекулу QS - PQS, о чём уже
упоминалось в данном обзоре. Антраниловая кислота оказывает на «суперорганизм» имму-номодулирующий эффект [1].
Образование кинуреновой кислоты происходит только в клетках млекопитающих. Следует отметить, что кинуреновая кислота является сигнальной молекулой и вовлечена в регуляцию энергетического гомеостаза, а также имеет выраженный антипролиферативный эффект [35].
Образование 3-гидроксикинуренина происходит в бактериальном сообществе кишечника под действием НАДФН-зависимой кинуренинмоноок-сигеназы [1] и в митохондриях клеток человека (в нервной ткани, печени и в иммунокомпетентных клетках) [36]. В свою очередь, 3-гидроксикинуре-нин является предшественником в образовании ксантуреновой кислоты (также кинуренинамино-трансферазой) или 3-гидроксиантраниловой кислоты кинурениназой. Далее 3-гидроксиантранило-вая кислота превращается 3-гидроксиантранилат-3,4-диоксигеназой (ЕС: 1.13.11.6) в 2-амино-3-карбоксимуконат полуальдегид, а затем спонтанно в хинолиновую кислоту, которая является предшественником для синтеза никотинамидадениндину-клеотида (НАД) (Рис. 3).
Кщьрецинаыичотрачсфераза
Кинуреновая шслоига
Киц\ренинам1ГгИ?п1раисфвраза
Кяшшураювая кислот д
З-гидрохгианпфпшпат-дчохтигечаза
Пжолнновал кнспота
Триптофан
| Триюпофан-2,S-duo^cuienaia, Индо.шиин-2,3-дшкгигеназа L-формил кнвуреннн
| Фариошйаза
Кинуреник ЛЦнииинж
3 -гндрокснкинургннн
г Лнлфдршоеаятшслотд
З-гнлрокгиавтраннловая кислота
nik^d
г-яиншьЗ-ырбошшукоаат 2-амшгомуышат
попуальдегнд полуальдегвд
Нфрчммтиено | Нефериентатыжо^
Хиштновая хжлопг а
ЦнБняраонЕовая кислота
НАД
I ^
Г
Рис. 3. Кинурениновый путь превращения аминокислоты триптофан.
Таким образом, мы видим, что метаболическое сопряжение в обмене триптофана очень выражено между макроорганизмом и микробной популяцией кишечника, а уникальной метаболической чертой макроорганизма является продукция кинуреновой кислоты.
Третий путь метаболизма триптофана, который имеется как в энтероцитах, так и в других клетках человека, это путь продукции нейроме-диатора - серотонина. Следует отметить, что образование более чем 90 % серотонина в организме человека происходит в кишечнике в энте-рохромаффиных клетках [37]. Однако гематоэн-цефалический барьер непроницаем для данного медиатора, и его основная функция локализована в желудочно-кишечном тракте. Микробиота кишечника контролирует данный путь метаболизма триптофана, благодаря образованию де-зоксихолевой кислоты, которая обладает стимулирующем действием на синтез серотонина (триптофангидроксилазу-1, ЕС: 1.14.16.4) [1].
Мембранные везикулы в метаболическом сопряжении макроорганизма и микробиоты кишечника
Очевидно, что в кишечнике существует межбактериальная конкуренция и она отчасти реализована наружными мембранными везикулами (НМВ). НМВ - это липидные наночастицы, которые играют множество ролей в бактериальной физиологии и адаптации к разнообразным средам, и продуцируются грамотрицательными бактериями. Показано, что НМВ высвобождаемые экологическим патогеном Chromobacterium violaceum, доставляют антимикробное соединение виолацеин бактериям-конкурентам, опосредуя его токсичность in vivo на большом расстоянии. При этом на везикуляцию действует сам виолацеин [17].
НМВ ещё называют бактериальными мембранными везикулами (БМВ), их состав подобен мембране и цитоплазме родительской микробной клетки (это могут быть как грамотрицатель-ные, так и грамположительные бактерии). При этом явно существует спецификация инкорпорации белков, нуклеиновых кислот, метаболитов и токсинов в БМВ, так как необходимо их защитить от разрушения организмом человека и микробиотического окружения и придать потенциал для передвижения на большие расстояния. БМВ выполняют специализированные функции, адаптированные к изменяющимся условиям микроокружения, в частности в отношении взаимодействия микробного сообщества (включая определение QS, образование биоплёнки, устойчивость к антибиотикам, экспрессию и развертывание антимикробных пептидов). А самое главное, везикулы играют решающую роль во
взаимодействии хозяина и микробиоты как носители факторов вирулентности и других модуляторов функции клеток макрорганизма [38].
Инкорпорации подвергаются не все метаболиты, а те, которые являются лабильными и гидрофобными. Одна из основных молекул QS - PQS обладает высокой гидрофобностью и поэтому не может эффективно диффундировать через окружающую среду. Было показано, что около 86 % PQS упаковано в НМВ. Аналогично, гидрофобные молекулы QS C16-HSL Рaracoccus denitrificans и CAI-1 Vibrio harveyi упаковываются в везикулы [39]. Сигнальные молекулы QS также могут влиять на образование НМВ, поскольку PQS является одновременно необходимым для везикулогенеза у P. aeruginosa и может даже индуцировать образование везикул у других видов [40].
P. aeruginosa - один из главных оппортунистических патогенов в организме человека - се-кретирует целое облако факторов вирулентности, включая такие как фосфолипаза С, проэла-стаза, щелочная фосфатаза, гемолизин. Транспорт данных белков происходит в мембранных везикулах (размером 50-250 нм в диаметре) непосредственно в клетки хозяина и другие бактерии [15].
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Таким образом, макроорганизм и микробиота кишечника находятся в тесном метаболическом сопряжении. Метаболиты микробиоты обеспечивают топливную функцию для тканей макроорганизма; выполняют локальную колоноцитар-ную регуляторную функцию, а также оказывают системное влияние на обмен веществ. Сигнальные микробиотические молекулы отвечают за продукцию ГПП-1, инсулина, соматостатина, глюкагона, и других гормонов, различных ци-токинов, серотонина и гистамина. Данные метаболиты имеют антипролиферативный эффект, влияют на дифференцировку тканей, вовлечены в противо- и провоспалительный механизмы, а также имеют нейропротекторный эффект и оказывают широмасштабное воздействие на иммунологический профиль макроорганизма и многое другое. Однако метаболическое сопряжение не одностороннее. Макроорганизм (экосистема) не только делегирует свои метаболические функции микробиотической популяции, а и сам синтезирует целый ряд различных метаболитов для микробиотической популяции, контролируя QS, метаболическую активность микробиоты и её способность к везикуляции.
Финансирование. Работа выполнена в рамках договора № 03731001221200000006 по проекту «Изучение эффектов молекул-кандидатов
2020, т. 10, № 2
видонеспецифических медиаторов систем QS на толерогенную и провоспалительную активности клеток иммунной системы, на клеточные культуры адипогенной дифференцировки МСК и на клеточные культуры трансформированных линий кишечного эпителия. Разработка лабораторного регламента получения ГЛФ кандидат-ного препарата».
Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Conflict of interest. The authors have no conflict of interests to declare.
Соблюдение этических норм. Настоящая статья не содержит описания каких-либо исследований с участием людей или животных в качестве объектов.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
1. Agus A, Planchais J, Sokol H. Microbiota Regulation of Tryptophan Metabolism in Health and Disease. Cell Host Microbe. 2018;23:716-724. doi:10.1016/j.chom.2018.05.003
2. Comai S, Bertazzo A, Brughera M, Crotti S. Tryptophan in health and disease. Adv Clin Chem..2020; 95:165-218. doi:10.1016/bs.acc.2019.08.005
3. Vakhitov T. Y., Chalisova N, Sitkin S. I. Effect of carboxylic acids of gut microbial origin on host cell proliferation in organotypic tissue cultures. Eksp Klin Gastroenterol. 2016;12:73-82
4. Gill S. R., Pop M, Deboy R.T., Eckburg P.B., Turnbaugh P. J., Samuel B. S., Gordon JI, Relman D. A., Fraser Liggett C. M., Nelson K. E. Metagenomic analysis of the human distal gut microbiome. Science. 2006;312:1355-1359. doi:10.1126/science.1124234
5. Fujimura KE, Slusher NA, Cabana MD, Lynch SV. Role of the gut microbiota in defining human health. Expert Rev Anti Infect Ther. 2010; 8: 435-454. doi:10.1586/ eri.10.14
6. Thomas CM, Versalovic J. Probiotics-host communication: Modulation of signaling pathways in the intestine. Gut Microbes. 2010;(1):148-163. doi: 10.10.4161/gmic.1.3.11712
7. Kim CH. Immune regulation by microbiome metabolites. Immunology. 2018;154:220-229. doi: 10.1111/ imm.12930
8. Лактат: от «тупика метаболизма» до сигнальной молекулы и клеточному перепрограммированию: монография / Шатова О.П. и др. Москва: Издательство РАМН, 2020.
9. Vallianou N, Stratigou T, Christodoulatos GS, Dalamaga M. Understanding the role of the gut microbiome and microbial metabolites in obesity and obesity-associated metabolic disorders: current evidence and perspectives. Curr Obes Rep. 2019;8:317-332. doi:10.1007/s13679-019-00352-2
10. Moran-Ramos S, Lopez-Contreras BE, Canizales-Quinteros S. Gut Microbiota in Obesity and Metabolic
Abnormalities: A Matter of Composition or Functionality? Arch Med Res. 2017;48: 735-753. doi:10.1007/s13679-019-00352-2
11. Zhang J. M., Sun Y. S., Zhao L. Q., Chen T. T., Fan MN, Jiao H. C., Zhao J. P., Wang X. J., Li F. C., Li H.F., Lin H. SCFAs-Induced GLP-1 Secretion Links the Regulation of Gut Microbiome on Hepatic Lipogenesis in Chickens. Front Microbiol. 2019;10:2176. doi:10.3389/ fmicb.2019.02176
12. Orgaard A, Jepsen SL, Holst JJ. Short-chain fatty acids and regulation of pancreatic endocrine secretion in mice. Islets. 2019;11:103-111. doi:10.1080/19382014.201 9.1587976
13. Malkova D, Polyviou T, Rizou E, Gerasimidis K, Chambers ES, Preston T, Tedford MC, Frost G, Morrison DJ. Moderate intensity exercise training combined with inulin-propionate ester supplementation increases whole body resting fat oxidation in overweight women. Metabolism. 2020;104:154043. doi:10.1016/j.metabol.2019.154043
14. Dong SH, Nhu-Lam M, Nagarajan R, Nair SK. Structure-Guided Biochemical Analysis of Quorum Signal Synthase Specificities. ACS Chem Biol. 2020. doi:10.1021/ acschembio.0c00142
15. Tashiro Y, Toyofuku M, Nakajima-Kambe T, Uchiyama H, Nomura N. Bicyclic compounds repress membrane vesicle production and Pseudomonas quinolone signal synthesis in Pseudomonas aeruginosa. FEMS Microbiol Lett. 2010;304:123-130. doi:10.10.1111/ j.1574-6968.2010.01897.x
16. Crepin A, Barbey C, Beury-Cirou A, Helias V, Taupin L, Reverchon S, Nasser W, Faure D, Dufour A, Orange N, Feuilloley M, Heurlier K, Burini JF, Latour X. Quorum sensing signaling molecules produced by reference and emerging soft-rot bacteria (Dickeya and Pectobacterium spp.). PLoS One. 2012;7:e35176. doi:10.1371/journal.pone.0035176
17. Batista JH, Leal FC, Fukuda TH, Diniz JA, Almeida F, Pupo MT, da Silva Neto JF. Interplay between two quorum sensing-regulated pathways, violacein biosynthesis and VacJ/Yrb, dictates outer membrane vesicle biogenesis in Chromobacterium violaceum. Environ Microbiol. 2020. doi: 10.1111/1462-2920.15033
18. Tobias NJ, Brehm J, Kresovic D, Brameyer S, Bode HB, Heermann R. New Vocabulary for Bacterial Communication. Chembiochem. 2020;21:759-768. doi:10.1002/cbic.201900580.
19. Jahoor A, Patel R, Bryan A, Do C, Krier J, Watters C, Wahli W, Li G, Williams SC, Rumbaugh KP. Peroxisome proliferator-activated receptors mediate host cell proinflammatory responses to Pseudomonas aeruginosa autoinducer. J Bacteriol. 2020;190:4408-4415. doi:10.1128/JB.01444-07.
20. Song D, Meng J, Cheng J, Fan Z, Chen P, Ruan H, Tu Z, Kang N, Li N, Xu Y, Wang X, Shu F, Mu L, Li T, Ren W, Lin X, Zhu J, Fang X, Amrein MW, Wu W, Yan L.T., Lu J, Xia T, Shi Y. Pseudomonas aeruginosa quorum-sensing metabolite induces host immune cell death through cell
surface lipid domain dissolution. Nat Microbiol. 2019;4:97-111. doi:10.1038/s41564-018-0290-8
21. Bryan A, Watters C, Koenig L, Youn E, Olmos A, Li G, Williams S. C., Rumbaugh K. P. Human transcriptome analysis reveals a potential role for active transport in the metabolism of Pseudomonas aeruginosa autoinducers. Microbes Infect. 2010;12:1042-1050. doi: 10.1016/j. micinf.2010.07.006
22. Sifri CD. Healthcare epidemiology: quorum sensing: bacteria talk sense. Clin Infect Dis. 2008;47: 1070-1076. doi:10.1086/592072
23. Beury-Cirou A, Tannieres M, Minard C, Soulere L, Rasamiravaka T, Dodd RH, Queneau Y, Dessaux Y, Guillou C, Vandeputte OM, Faure D. At a supra-physiological concentration, human sexual hormones act as quorum-sensing inhibitors. PLoS One. 2013; 8:e83564.
24. Thomas CM, Saulnier DM, Spinler JK, Hemarajata P, Gao C, Jones SE, Grimm A, Balderas MA, Burstein MD, Morra C, Roeth D, Kalkum M, Versalovic J. FolC2-mediated folate metabolism contributes to suppression of inflammation by probiotic Lactobacillus reuteri. Microbiologyopen. 2016; 5: 802-818. doi:10.1002/ mbo3.371
25. Chung K. T., Fulk G. E., Slein M. W. Tryptophanase of fecal flora as a possible factor in the etiology of colon cancer. J Natl Cancer Inst. 1975;54:1073-1078. doi:10.1093/jnci/54.5.1073
26. Carbonnelle-Puscian A, Copie-Bergman C, Baia M, Martin-Garcia N, Allory Y, Haioun C, Cremades A, Abd-Alsamad I, Farcet JP, Gaulard P, Castellano F, Molinier-Frenkel V. The novel immunosuppressive enzyme IL4I1 is expressed by neoplastic cells of several B-cell lymphomas and by tumor-associated macrophages. Leukemia. 2009;23:952-960. doi:10.1038/leu.2008.380
27. Jean M, DeMoss RD. Indolelactate dehydrogenase from Clostridium sporogenes. Can J Microbiol. 1968; 14: 429-435. doi:10.1139/m68-068
28. Han Q, Robinson H, Cai T, Tagle DA, Li J. Structural insight into the inhibition of human kynurenine aminotransferase I/glutamine transaminase Structural insight into the inhibition of human kynurenine aminotransferase I/glutamine transaminase. K. J Med Chem. 2009;52:2786-2793. doi:10.1021/jm9000874
29. Wong CB, Tanaka A, Kuhara T, Xiao JZ. Potential Effects of Indole-3-Lactic Acid, a Metabolite of Human Bifidobacteria, on NGF-induced Neurite Outgrowth in PC12 Cells. Microorganisms. 2020; 8(3):398. doi:10.3390/ microorganisms8030398
30. Dicker S, Pierik AJ, Buckel W. Molecular characterization of phenyllactate dehydratase and its
initiator from Clostridium sporogenes. Mol Microbiol. 2002; 44: 49-60. doi: 10.1046/j.1365-2958.2002.02867.x
31. Venkatesh M, Mukherjee S, Wang H, Li H, Sun K, Benechet Alexandre P. Symbiotic bacterial metabolites regulate gastrointestinal barrier function via the xenobiotic sensor PXR and Toll-like receptor 4. Immunity. 2014;41(2):296-310
32. Cervenka I, Agudelo LZ, Ruas JL. Kynurenines: Tryptophan's metabolites in exercise, inflammation, and mental health. Science. 2017;357(6349):eaaf9794. doi: 10.1126/science.aaf9794, doi:10.1126/science.aaf9794
33. Chaves Filho AJ, Lima CN, Vasconcelos SM, de Lucena DF, Maes M, Macedo D. IDO chronic immune activation and tryptophan metabolic pathway: A potential pathophysiological link between depression and obesity. Prog Neuropsychopharmacol Biol Psychiatry. 2018;80:234-249. doi: 10.1016/j.pnpbp.2017.04.035
34. Maitrani C, Phillips RS. Substituents effects on activity of kynureninase from Homo sapiens and Pseudomonas fluorescens. Bioorg Med Chem. 2013;21:4670-4677. doi: 10.1016/j.bmc.2013.05.039
35. Walczak K, Turski WA, Rajtar G. Kynurenic acid inhibits colon cancer proliferation in vitro: effects on signaling pathways. Amino Acids. 2014;46:2393-2401. doi:10.1007/s00726-014-1790-3
36. Oxenkrug G, van der Hart M, Roeser J, Summergrad P. Peripheral kynurenine-3-monooxygenase deficiency as a potential risk factor for metabolic syndrome in schizophrenia patients. Integr Clin Med. 2017;1. doi:10.15761/ICM.1000105
37. Wang SZ, Yu YJ, Adeli K. Role of Gut Microbiota in Neuroendocrine Regulation of Carbohydrate and Lipid Metabolism via the Microbiota-Gut-Brain-Liver Axis. Microorganisms. 2020;8(4): 527. doi:10.3390/ microorganisms8040527
38. Caruana JC, Walper SA. Bacterial Membrane Vesicles as Mediators of Microbe - Microbe and Microbe - Host Community Interactions. Front Microbiol. 2020;11:432. doi: 10.3389/fmicb.2020.00432
39. Brameyer S, Plener L, Muller A, Klingl A, Wanner G, Jung K. Outer membrane vesicles facilitate trafficking of the hydrophobic signaling molecule cai-1 between vibrio harveyi cells. J Bacteriol. 2020;200(15). doi:10.1128/ JB.00740-17
40. Tashiro Y, Ichikawa S, Shimizu M, Toyofuku M, Takaya N, Nakajima-Kambe T, Uchiyama H, Nomura N. Variation of physiochemical properties and cell association activity of membrane vesicles with growth phase in Pseudomonas aeruginosa. Appl Environ Microbiol. 2010;76:3732-3739. doi:10.1128/AEM.02794-09
