Разбираем мир микробиологии по кусочкам
Обучение и память медоносной пчелы зависят от кишечных бактерий
Бактерии могут быть хорошими или плохими, и, вопреки распространенному мнению, большинство из них хорошие. Некоторые из этих хороших бактерий являются основной составляющей нашего тела и биологических систем. Микробиом кишечника почти каждого вида эволюционировал так, чтобы играть важную роль в выживании. У коров, например, есть особые бактерии-симбионты, которые позволяют им переваривать пищу и извлекать из нее питательные вещества, такие как целлюлоза (из травы), которые иначе бы не переваривались млекопитающими. Сегодня всем известно, что здоровье микробиома кишечника важно для хорошего благополучия, правильного регулирования метаболизма и иммунных функций у млекопитающих и других организмов.
Недавние исследования указывают на существование некой связи между неврологическими функциями и микробиомами млекопитающих. Одним из примеров этого явления: роль кишечного микробиома в метаболизме триптофана, который производит серотонин – молекулу, ответственную за контроль нашего настроения и сна. В этом случае, нездоровый кишечный микробиом может снизить уровень серотонина и, следовательно, со временем привести к ухудшению настроения и сна.
Установленная связь между мозгом и кишечником побудила Чжэн и др. (2022) задаться вопросом: распространяется ли связь кишечного микробиома и мозга на социальное поведение и восприятие хозяина? Ученые искали ответ на этот вопрос, используя медоносных пчел в качестве модельного организма, поскольку они имеют небольшой специализированный кишечный микробиом (которым легко манипулировать) и образуют сообщества. Уже известно, что микробиом кишечника медоносной пчелы играет определенную роль в иммунном гомеостазе, метаболизме и степени устойчивости к патогенам. Их кишечный микробиом также участвует в общении между пчелами и распознавании родственных особей.
Группа исследователей подвергла медоносных пчел лечению антибиотиками. После этого их вернули в ульи для наблюдения за изменениями в их поведении/здоровье. (Изображение 1). Они обнаружили, что антибиотики нарушают микробиом кишечника, делая пчел менее плодовитыми. Интересно заметить, что они также страдали от недоедания. Затем возник вопрос о том, почему пчелы недоедали и имело ли это какое-то отношение к их неврологическим функциям, особенно к их памяти и обонянию.
Ученые решили глубже изучить эти черты, поскольку они важны для многих аспектов социального поведения пчел, таких как разделение труда, признание родственных особей и спаривание. Как и предполагалось, пчелы с нарушенным кишечным микробиомом справлялись хуже, чем пчелы со здоровыми микробиомами. В задании, где нужно было связать определенный запах с наградой (сахаром), ни одна из пчел с нарушенным микробиомом не смогла правильно ассоциировать эти вещи. Это показывает как микробиом кишечника влияет на способность пчел к обучению и памяти.
Исследование было проведено с использованием количественных генетических техник для определения изменений на генетическом уровне. Они обнаружили, что у пчел со здоровым кишечным микробиомом, профили экспрессии генов в головном мозге отличаются от пчел с нарушенным микробиомом. В частности, нарушенный микробиом кишечника снижает экспрессию тех генов, которые важны для обучения и памяти.
Затем, исследователи определили механизм влияния кишечных микробов на память. Они провели метаболический анализ чтобы сравнить различия между теми пчелами, что были обработаны антибиотиками, и теми что нет. В теории, кишечные микробы оказывают влияние на метаболизм триптофана, незаменимой аминокислоты для правильного роста и развития.
В частности, существует два пути расщепления триптофана (Изображение 3). Первый происходит за счет ферментов, вырабатываемые кишечными микробами (фермент ArAT), а далее вырабатываются производные индола (известно, что они важны для поддержания здоровья кишечника). Второй путь подразумевает собой использование ферментов Kyn, производимые самим хозяином (фермент связан с нейродегенеративными заболеваниями). В целом, их исследование показывает, что здоровые кишечные микробы, экспрессирующие фермент ArAT, способствуют расщеплению триптофана через индольный путь, одновременно ограничивая производство Kyn с вредными для неврологической функции побочными метаболитами.
В случае с медоносными пчелами, метаболизм триптофана происходит за счет активности бактерий Lactobacillus apis. Следующим этапом нужно было узнать каким образом метаболизм триптофана приводит к поведенческим изменениям у двух групп пчел. Они обнаружили, что полученные производные индола являлись связующим фактором для транскрипции гена AhR. Их соединение приводило к активации жизненно важных функций, таких как память и обучение (Изображение 3). Ученые подтвердили это, обработав группу здоровых кишечных микробиомов антагонистом AhR (молекулой, которая ингибирует активацию и функцию AhR). После этого последовало ухудшение показателей выполнения заданий на обоняние и память (Изображение 2).
Эти результаты весьма интересны, так как они указывают на еще одну роль кишечного микробиома и отдельных бактерий в организме хозяина. Хотя это исследование продемонстрировало роль кишечных бактерий в регуляции памяти и обучения у пчел, оно потенциально может быть актуальным и для млекопитающих. Например, в наших организмах также есть кишечные микробы, регулирующие метаболизм триптофана, что может играть важную роль в функционировании нервной системы. В дальнейшем, было бы весьма интересно изучить роль кишечного микробиома млекопитающих в обучении и памяти.
Перевод был сделан Марией Мартыновой
Оригинальная статья: Zhang, Z., Mu, X., Cao, Q. et al. Honeybee gut Lactobacillus modulates host learning and memory behaviors via regulating tryptophan metabolism. Nat Commun 13, 2037 (2022).
Изображение: Ivar Leidus – собственная работа, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=50535031
micro-bites.org 