Гамма-аминомасляная кислота (ГАМК) и кишечный микробиом

ГАМК-продуцирующие кишечные бактерии как потенциальные психобиотики

Гамма-аминомасляная кислота (ГАМК), кишечный микробиом и ЦНС

Психобиотики - единичные виды и штаммы бактерий, обладающие психотропными свойствами, и в достаточных количествах способные оказывать благоприятное воздействие на здоровье пациентов, страдающих психическими заболеваниями (Dinan et al., 2013)

• Показана эффективность психобиотиков в борьбе с симптомами депрессии и синдрома хронической усталости
• Психобиотики могут оказывать седативный эффект и снижать тревожное состояние
• Действие психобиотиков сходно с фармакологическим эффектом антидепрессантов

Взаимодействие кишечной микробиоты с ЦНС все больше привлекает внимание ученых, особенно в плане возможности влияния на функции мозга посредством манипулирования микробным составом ЖКТ. Уже давно не секрет, что бактерии активно общаясь со стенкой кишечника (а через нее - с мозгом хозяина), выделяют вещества, действующие на энтерохромаффинные клетки. Интересно, что сигнальные вещества бактерий являются просто-таки прямыми аналогами наших собственных гормонов и нейромедиаторов: оказалось, что кишечная микрофлора может производить норадреналин, дофамин, серотонин, тестостерон, гистамин, а также нейромедиатор гамма-аминомасляную кислоту (ГАМК) и белки-регуляторы аппетита (например, грелин и лептин) [1]. 

Установлено, что специфические бактерии обладают собственной способностью продуцировать многие нейроэндокринные гормоны и нейроактивные соединения, участвующие в ключевом аспекте нейротрансмиссии, поэтому микробная эндокринология связывает науку микробиологии с нейробиологией. Применительно к общеизвестным пробиотикам было показано, что γ-аминомасляная кислота (ГАМК или англ. GABA), основной ингибирующий нейротрансмиттер центральной нервной системы млекопитающих [2], была продуцирована штаммами Lactobacilli и Bifidobacteria, более конкретно, Lactobacillus brevis, Bifidobacterium dentium, Bifidobacterium adolescentis и Bifidobacterium infantis [3,4]. Поэтому разумно было предположить, что ряд пробиотических бактерий может обладать терапевтическим потенциалом в модуляции экспрессии центральных ГАМК-рецепторов, опосредуя депрессию и тревожное поведение, что было показано, например, на Lactobacillus rhamnosus [5].

Таким образом, было высказано предположение, что определенные микроорганизмы имеют возможность оказывать влияние (положительное или отрицательное) на пищевые привычки хозяина и эмоциональное поведение посредством секреции различных нейроактивных молекул и прочих гормоноподобных веществ. С другой стороны, бактерии имеют рецепторы этих гормонов, поэтому они могут связываться с мозгом хозяина. Например, как уже было указано выше, лактобациллы и бифидобактерии способны синтезировать нейромедиаторную гамма-аминомасляную кислоту (ГАМК), которая, как известно, уменьшает беспокойство и стресс, в то время как Escherichia, Bacillus и Saccharomyces производят норадреналин [6].

Таблица 1. Бифидобактерии и лактобациллы как активные продуценты гамма-аминомасляной кислоты – важного нейротрансмиттера [7].

Помимо лакто- и бифидобактерий синтезировать ГАМК могут и другие пробиотические бактерии, например молочные пропионовокислые бактерии Propionibacterium freudenreichii, которые традиционно используются при производстве твердых сыров швейцарского типа. В исследовании влияния микрофлоры на текстуру и содержание аминокислот, органических кислот и летучих веществ в сыре, приготовленном на основе Пропионибактерий было установлено, что увеличение относительного содержания ГАМК и уменьшение глутамата (во время созревания после теплого комнатного периода) в твердых сырах указывает на декарбоксилирование глутамата до ГАМК, процесс, который также приводит к образованию CO₂. Подобные результаты также наблюдались в сыре Emmental (Wyder et al., 2001), а способность декарбоксилировать глутамат до ГАМК наблюдалась у Propionibacterium freudenreichii и ранее (Beck and Schink, 1995). Таким образом, более высокое содержание ГАМК в твердых сырах, очевидно, связано с активностью пропионовокислых бактерий [8]. Также, при исследовании стрессоустойчивости Propionibacterium freudenreichii при производстве Эмментальского сыра было показана значительная экспрессия в сырном соке (CJ) белков, участвующих в катаболизме аспартата, приводящие к образованию ГАМК (экспрессия L-аспартатоксидазы и 4-аминобутират аминотрансферазы для превращения сукцинатного полуальдегида в ГАМК) [9]. С учетом того, что молочные пропионовокислые бактерии (ПКБ) активно стимулируют рост бифидобактерий, то в соответствии с данными таблицы 1. использование ПКБ является очень привлекательным методом с точки зрения повышения кишечного-микробного продуцирования ГАМК.

Тем не менее, для того, чтобы эффективно использовать модуляцию кишечной микробиоты для целей увеличения продукции гамма-аминомасляной кислоты, следует учитывать то, что могут быть как бактерии-продуценты ГАМК, так и бактерии-потребители ГАМК (или вообще ингибиторы синтеза ГАМК или самих ГАМК-продуцирующих бактерий). В связи с этим вызывает интерес три взаимосвязанных исследования (работа одной авторской группы), в которых изучался вопрос ГАМК-модулирующих бактерий в микробиоме кишечника человека. Краткое содержание результатов работы приведено ниже:

ГАМК-модулирующие бактерии в микробиоме кишечника человека

Поматериалам 3-х исследований:

1. Philip Strandwitz et al. GABA Modulating Bacteria in the Human Gut Microbiome. RISE 2014
2. Philip Strandwitz et al. GABA Modulating Bacteria – Can Our Bacteria Make Us Depressed? RISE 2015
3. Philip Strandwitz et al. GABA-modulating bacteria of the human gut microbiota. Nature Microbiology 4(3), March 2019

Микробиота кишечника влияет на многие важные функции хозяина, включая иммунный ответ и нервную систему. Однако, несмотря на значительный прогресс в выращивании разнообразных микроорганизмов микробиоты, 23-65% видов, обитающих в кишечнике человека, остаются некультивируемыми («некультурными»), что является препятствием для понимания их биологической роли. Вероятной причиной такой некультурности является отсутствие в искусственных средах ключевых факторов роста, которые обеспечиваются соседними бактериями.

Примерно половина видов бактерий, обитающих в кишечнике человека, не будет расти в лабораторных условиях. Это значительная нерешенная проблема, поскольку наши кишечные обитатели связаны с многочисленными желудочно-кишечными заболеваниями, включая болезнь Крона, ожирение и диабет II типа. Новым захватывающим событием является непредвиденная связь микробиома с психическим здоровьем, причем микробиом, вероятно, участвует в развитии мозга, настроении и поведении, хотя конкретные механизмы, лежащие в основе этого общения, неизвестны. Ранее наша группа обнаружила, что «некультурные» бактерии зависят от соседних «вспомогательных» бактерий для факторов роста. В настоящем исследовании мы использовали аналогичный подход совместного культивирования для выращивания некультурных бактерий из образцов фекалий человека и успешно культивировали ряд организмов, включенных в список самых

Прим. ред.: Flavonifractor sp. (Флавонофрактор) - род строго анаэробных, грамположительных, бациллообразных бактерий с переменной подвижностью в типе Firmicutes (к примеру,  Flavonifractor plautii (ранее Eubacterium plautii) считается потенциальным возбудителем холецистита.

С использованием био-анализа очистки супернатанта B. fragilis γ-аминомасляная кислота (ГАМК) была идентифицирована как фактор роста Flavonifractor sp. ГАМК является основным подавляющим нейротрансмиттером центральной нервной системы млекопитающих, и его снижение связано с депрессией и тревогой. Геномный анализ Flavonifractor sp. предлагает необычную метаболическую карту, ориентированную на потребление одного питательного вещества, ГАМК. Используя рост Flavonifractor sp. в качестве биоанализа было обнаружено, что ряд обильных членов кишечного микробиома являются продуцентами ГАМК. Эти ГАМК-модулирующие бактерии могут влиять на психическое здоровье, потребляя или производя этот важный нейромедиатор.

Фон: Кишечно-мозговая ось

Если бы кто-то сравнил общее количество бактериальных клеток на нашей коже или внутри наших тел, совокупно названных микробиомом, с количеством человеческих клеток, которые у нас есть, они обнаружили бы, что эти микробы превосходят наши собственные клетки 10:1. Это заставляет нас задать вопрос, что именно мы?

Большинство наших резидентных бактерий находится в желудочно-кишечном тракте. Здесь насчитывается около 100 триллионов бактериальных клеток, состоящих примерно из 500 видов, половину из которых можно культивировать в лаборатории. Учитывая их количество, неудивительно, что эти микроорганизмы, как было установлено, играют роль почти во всех человеческих расстройствах, включая ожирение, рак и атеросклероз. В последнее время микробиом также влияет на психическое здоровье, хотя механизм, лежащий в основе этого соединения кишечника и мозга, неизвестен.

В этом исследовании я (автор исследования, Филипп Страндвиц - ред.) раскрываю открытие новой ранее некультивированной бактерии Flavonifractor sp. и фактора ее роста, нейротрансмиттера γ-аминомасляной кислоты (ГАМК). Я также показываю, что обильные члены кишечного микробиома производят большое количество ГАМК. Эти данные свидетельствуют о том, что ГАМК-модулирующие бактерии могут влиять на психическое здоровье, поскольку снижение уровня ГАМК связано с различными нарушениями психического здоровья, включая депрессию, беспокойство и аутизм. Следовательно, терапевтические средства могут быть разработаны вокруг их введения / удаления.

Потребитель ГАМК – Flavonifractor sp.

Рисунок 1. Выделение ранее не культивированного Flavonifractor sp. (A) Разбавленный фекальный образец высевали на богатые среды, и маленькие медленно растущие колонии тестировали на зависимость от более крупных и быстро растущих колоний. Было показано, что один изолят, Flavonifractor sp., зависит от (B) Dorea longicatena или (C) Bacteroides fragilis для своего роста.

Рисунок 2. Идентификация ГАМК как фактора роста Flavonifractor sp. с использованием биоанализной управляемой очистки. Было обнаружено, что супернатант Bacteroides fragilis индуцирует Flavonifractor sp. (А, В), а последующее фракционирование супернатанта ЖХ/МС приводит к образованию единственной активной фракции (С, D). ЯМР-анализ выявил ГАМК в качестве индуцирующего фактора (E, F)

Рисунок 3. Геномный анализ Flavonifractor sp. Секвенированный геном Flavonifractor sp. был аннотирован с помощью RAST (http://rast.nmpdr.org). Аннотация выявила, что Flavonifractor sp. является асахаролитическим и использует ГАМК для ферментации.

Производители ГАМК – «хорошие ребята»

Таблица 2. Скрининг распространенных и культивируемых членов микробиома кишечника для производства ГАМК с использованием в качестве анализа индукции Flavonifractor sp. Используя совместное культивирование с Flavonifractor sp., штаммы тестировали на их способность продуцировать ГАМК. Было показано, что большинство протестированных видов индуцируют рост Flavonifractor sp., и предполагается, что они продуцируют достаточное количество ГАМК.

Примечание редактора: В данной таблице и в ниже представленном рисунке есть один недостаток. Так как синтез ГАМК у бактерий является штаммоспецифичным процессом, то он может значительно различатся среди штаммов на видовом уровне, что подтверждается данными таблицы 1. Таким образом синтез ГАМК у бактерий, указанных в правом столбце таблицы 2 может быть более значительным, чем указано на рисунке 4.

Рисунок 4. Ранжирование бактерий по производству ГАМК. Несколько штаммов, как показано, индуцирующие (или не индуцирующие) рост Flavonifractor sp. были проанализированы на производство ГАМК. После анаэробного выращивания в течение трех дней при 37 °С клетки подсчитывали под микроскопом и измеряли ГАМК в отработанной среде с использованием ЖХ/МС. Продукция ГАМК была нормализована по количеству клеток, и все штаммы были протестированы в трех экземплярах.

Авторы данной работы в исследовании от 2015 года также заявили, что чрезмерно экспрессируя глутаматдекарбоксилазу (gadA) в кишечной палочке, они могут заставить ее вырабатывать ГАМК: «В настоящее время мы разрабатываем один из самых безопасных пробиотиков в мире - E. coli Nissle 1917 для производства ГАМК. Затем мы протестируем этот штамм на мышиных поведенческих моделях для анксиолитических / антидепрессантных эффектов».

В исследовании от 2019 г. авторы провели транскриптомный анализ образцов стула человека от здоровых людей, который показал, что ГАМК-продуцирующие пути активно экспрессируются Bacteroides, Parabacteroides и видами Escherichia. Связав секвенирование 16S рибосмальной РНК с функциональной магнитно-резонансной томографией у пациентов с основным депрессивным расстройством, заболеванием, связанным с измененным ГАМК-опосредованным ответом, исследователи обнаружили, что относительные уровни изобилия фекальных бактероидов отрицательно коррелируют с сигнатурами мозга, связанными с депрессией.

Выводы:

• ГАМК является фактором роста некультурных бактерий в кишечном микробиоме
• Flavonifractor sp. является богатым членом кишечного микробиома, сосредоточенного на ферментации ГАМК
• Ряд наиболее распространенных бактерий в желудочно-кишечном тракте производят большое количество ГАМК
• Модуляция ГАМК микробиомом кишечника может быть механизмом коммуникации вдоль оси кишечника и мозга.
• Представление производителей ГАМК или устранение Flavonifractor sp. может быть полезным для лечения психических расстройств
  

К разделу: Микрофлора и функции мозга

По теме психобиотиков см. также: Бифидобактерии как психобиотики (на примере B. longum)

Литература

1. Joe Alcock, Carlo C. Maley, C. Athena Aktipis. (2014). Is eating behavior manipulated by the gastrointestinal microbiota? Evolutionary pressures and potential mechanisms. BioEssays. 36, 940-949;
2. Nemeroff, C.B. The role of gaba in the pathophysiology and treatment of anxiety disorders. Psychopharmacol. Bull. 2003, 37, 133–146. [PubMed]
3. Cryan, J.F.; Kaupmann, K. Don’t worry ‘b’ happy!: A role for gaba(b) receptors in anxiety and depression. Trends Pharm. Sci. 2005, 26, 36–43. [PubMed]
4. Barrett, E.; Ross, R.P.; O’Toole, P.W.; Fitzgerald, G.F.; Stanton, C. γ-aminobutyric acid production by culturable bacteria from the human intestine. J. Appl. Microbiol. 2012, 113, 411–417. [PubMed]
5. Bravo, J.A.; Forsythe, P.; Chew, M.V.; Escaravage, E.; Savignac, H.M.; Dinan, T.G.; Bienenstock, J.; Cryan, J.F. Ingestion of lactobacillus strain regulates emotional behavior and central gaba receptor expression in a mouse via the vagus nerve. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2011, 108, 16050–16055. [Google Scholar] [CrossRef]
6. Dehhaghi, M.; Kazemi Shariat PНАahi, H.; Guillemin, G.J. MicroorgНАisms’ Footprint in Neurodegenerative Diseases. Front. Cell Neurosci. 2018, 12, 466. [Google Scholar] [CrossRef]
7. Аверина О.В. «Микробиота и подходы к ее коррекции при различных функциональных состояниях организма». Презентация ко 2-й Международная научно-практическая конференция «Функциональные продукты питания: научные основы разработки, производства и потребления» ФПП-2018
8. U. Rehn, F. K. Vogensen et al. Influence of microflora on texture and contents of amino acids, organic acids, and volatiles in semi-hard cheese made with DL-starter and Propionibacteria. Journal of Dairy Science Vol. 94 No. 3, 2011
9. Gwénaël Jan et al. Emmental Cheese Environment Enhances Propionibacterium freudenreichii Stress Tolerance. PLoS One 2015; 10(8)

Будьте здоровы!