Разбираем мир микробиологии по кусочкам

Симфония кишечника и бактерий

Written by

Disha Tandon

Вы задавались вопросом, почему мы едим, спим и выполняем другие биологические функции примерно в одно и то же время каждый день? Это результат работы биологических часов нашего организма. Ряд факторов, однако, может нарушить этот ритм. Например, когда мы путешествуем в страны с разными часовыми поясами, первые несколько дней в новом часовом поясе являются хаосом для организма (нарушенный режим сна, усталость и т. д.). Постепенно организм адаптируется, и все возвращается в прежнее русло. Такие биологические часы, также известные как циркадные ритмы, частично контролируются системой, существующей в каждой клетке нашего тела. Циркадный ритм состоит из нескольких систем биологических часов.

Одной из таких систем является суточные колебания, представляющие собой изменение функций организма в зависимости от смены дня и ночи. Большинство эпителиальных клеток кишечника следуют этому суточному циклу, вырабатывая белки соответственно этому циклу. Эпителиальные клетки кишечника в нашем организме продуцируют регенерирующий островковый белок 3 гамма (Reg3Ɣ), который представляет собой антимикробный пептид. Антимикробный пептид нацелен на определенные микробы в нашем кишечнике и удерживает других микробных обитателей от пересечения кишечного эпителиального барьера. Если микробы все-таки смогли его преодолеть, организм подвергается множеству инфекций (что не очень приятно!).

Микробные обитатели нашего тела живут по такому же ритму?

Вполне естественно, что все клетки, находящиеся в нашем теле, также приспосабливаются к биологическому ритму. Клетки, не относящиеся к телу, такие как кишечные микробы, синхронизируются с циркадным ритмом нашего организма и способствуют постоянному функционированию систем иммунного ответа. Именно поэтому кишечные микробы не чужды нашему организму. Однако, если биологические системы не смогут их контролировать, эти микробы проникнут через кишечный барьер и вызовут инфекцию в органах, которые не приспособлены к микробному присутствию.

Работая синхронно с циркадным ритмом, кишечные микробы играют огромную роль в изменении метаболических параметров тела [1, 2]. В последнее время ученые работали над интригующим вопросом: адаптируются ли эти микробы к суточному ритму нашего организма? Хотя у микробов есть свои собственные биологические часы, они подстраиваются под ритм окружающей их среды. Но все не так просто как кажется. Определенные микробы, которые комфортно живут в ритме нашего тела, могут стимулировать синтез Reg3γ (как например, Lactobacillus). Такое возможно в тех случаях, когда диета богата клетчаткой и не содержит большое количество жиров. Микробы, производящие Reg3γ, как правило, сами устойчивы к действию этого белка.

Ученые провели эксперимент на мышах, который имитировал бы кишечный микробиом человека, чтобы понять, варьируются ли уровни Reg3γ в зависимости от суточного цикла мышей. Они разделили животных на 2 группы: первая группа имела рацион с низким содержанием жиров (10% жира), а вторая группа — с высоким содержанием жиров (37,4% жира) (Изображение 1).

После четырех недель кормления ученые собрали пробы из кишечников мышей в определенное время в течение 24 часов (4:00, 8:00, 12:00, 16:00, 20:00, 12:00). Они извлекли слизистую оболочку кишечника, которая предотвращает проникновение кишечных микробов через кишечный барьер и попадание в другие органы. Во время проверки уровней антимикробных пептидных транскриптов ученые обнаружили, что транскрипты Reg3γ были на пике в 16:00 у тех мышей, которые были на диете с низким содержанием жиров, тогда как тот же самый вывод нельзя было сделать о мышах на диете с высоким содержанием жиров. В действительности, уровни белка Reg3γ оставались неизменными в течение 24-часового цикла у мышей, получавших диету с высоким содержанием жиров.

Изображение 1: Экспериментальный план исследования, изображающий две группы мышей, получавших (а) диету с низким содержанием жиров и (b) диету с высоким содержанием жиров. Мыши, получавшие диету с низким содержанием жиров, содержали бактерии *Lactobacillus*, стимулирующие производство Reg3γ, которые совпадали с тем же ритмом, что и суточный цикл мышей. Мыши, которых кормили пищей с высоким содержанием жиров, не показали подобной тенденции. Источник: изображение создано в BioRender.com на основе оригинальной статьи.

Чтобы понять как изменялась микробиота в двух группах мышей, ученые извлекли содержимое подвздошной кишки, места, где колонизируется большинство кишечных микробов. Они обнаружили значительные различия в относительном количестве бактерий в подвздошной кишке у мышей с низким содержанием жиров и с высоким содержанием жиров.

Кроме того, они обнаружили, что количество бактерий рода Lactobacillus (стимулирующие производство Reg3γ) колеблется в зависимости от суточного цикла мышей, получавших диету с низким содержанием жиров (Изображение 1). Ученые также сделали вывод о том, что диета с высоким содержанием жиров способствует росту бактерий из семейств Clostridiaceae и Peptostreptococcaceae (Изображение 1). Известно, что численность бактерий из этих семейств снижается в присутствии Reg3γ.

С помощью этого эксперимента они пришли к выводу, что диета с высоким содержанием жиров и низким содержанием клетчатки приводит к развитию другого набора микробов, который не способствует выработки Reg3γ. Это может увеличивать шансы условно-патогенных микробов пересечь кишечный барьер, что будет означать большую восприимчивость к инфекциям и, в некоторых случаях, к ожирению с последующими хроническими проблемами со здоровьем, такими как диабет.

Что это значит для нас?

Наше здоровье, микробиота кишечника и ритм организма тесно связаны друг с другом. Но ежедневный выбор пищи также крайне важен. Если наш рацион не дополнен соответствующим количеством питательных веществ и клетчатки, ритм организма сбивается, и мы подвергаемся нежелательным проблемам со здоровьем. Поэтому мы должны внимательно относиться к тому, что и когда мы едим. Если наша кишечная микробиота остается счастливой, то же самое происходит и с ритмом нашего тела. А какой тогда следует результат? В дополнение ко всем основным преимуществам для здоровья, регулярный и удовлетворительный цикл желудочно-кишечного тракта!

Перевод был сделан Марией Мартыновой

Дополнительные материалы:

Оригинальная статья: Katya Frazier et al., High-fat diet disrupts REG3γ and gut microbial rhythms promoting metabolic dysfunction. Cell host & Microbe, June 2022.

Изображение: https://www.bionity.com/en/news/1169405/bacterial-cells-can-tell-the-time.html