Бактерии из рода Bilophila могут снизить риск сердечно-сосудистых заболеваний

Кишечные бактерии, связанные с диетой животного происхождения, могут снизить риск сердечно-сосудистых заболеваний

Бактерии из рода Bilophila предотвращают образование ТМАО через метаболизирование триметиламина (ТМА)

Примечание редактора: Кишечные бактерии Билофилы (Bilophila spp.) могут быть рассмотрены в качестве пробиотиков (в определенных условиях), смягчающих вредную роль продуктов животного происхождения при сердечно-сосудистых заболеваниях (заголовок о животной диете говорит не о ее пользе, а о бактериях Bilophila, обнаруженных в повышенном количестве при таком рационе, о которых пойдет речь ниже).

Исследователи из Университета штата Орегон (OSU) обнаружили, что у одного типа кишечных бактерий, иногда связанных с воспалениями, абсцессами, заболеваниями кишечника и раком, есть серьезный плюс: они, кажется, помогают предотвратить сердечно-сосудистые заболевания.

Полученные данные свидетельствуют о возможности пробиотического лечения атеросклероза - опасного накопления жиров, холестерина и других веществ в артериях, которое вызывает инсульты и сердечные приступы и связано с курением, диетой, возрастом и рядом генетических причин.

Диета с высоким содержанием продуктов животного происхождения долгое время считалась фактором риска сердечно-сосудистых заболеваний, поскольку такие диеты являются основным источником ТМА - триметиламина, который печенью превращается в другое соединение, ТМАО, которое способствует накоплению жировых бляшек в артериях. ТМАО является сокращением от триметиламин-N-оксида.

«Связь между ТМАО и сердечно-сосудистыми заболеваниями, как правило, фокусирует внимание на том, как диета на основе проуктов животного происхождения вызывает негативные последствия для здоровья», - сказала Вероника Кивенсон (Veronika Kivenson), ведущий автор исследования и научный сотрудник Научного колледжа OSU. «Но при анализе данных фундаментальных исследований микробиома кишечника мы обнаружили доказательства того, что один тип бактерий, связанных с потреблением мяса, может принимать ТМА, а также предшественники ТМА, и метаболизировать их, не производя ТМАО. Это означает, что эти бактерии разрывают ключевое звено в цепи сердечно-сосудистых заболеваний».

Бактерии принадлежат к роду Bilophila, и данные свидетельствуют о том, что расширенный генетический код позволяет их метаболизму через путь деметилирования избегать образования ТМАО. Кроме того, по словам Кивенсон, исследования показывают, что диеты на основе продуктов животного происхождения вызывают быстрое увеличение количества Bilophila в кишечнике.

«Было доказано, что микроорганизмы в вашем ЖКТ влияют на развитие множества болезненных состояний», - сказал соавтор исследования Стив Джованнони (Steve Giovannoni), профессор микробиологии в OSU. «Но механизмы - то, что на самом деле происходит за взаимосвязями между диетой, здоровьем и микробиотой - в целом трудно определить. Требуются дополнительные исследования биологии и экологии клеток Bilophila, но наше исследование представляет собой четко определенный механизм, потенциально способный оказать большое влияние на здоровье человека».

Обнаруженная всего 31 год назад в инфицированном аппендиксе, Bilophila - это грамотрицательная анаэробная палочка, которая классифицируется как патобионт - организм, который обычно имеет симбиотические отношения со своим хозяином, но при определенных обстоятельствах может стать болезнетворным. Обычно Bilophila присутствует в микробиомах здоровых людей.

«Данные, которые мы рассмотрели, показывают, что в микробиомах здоровых людей значительно больше Bilophila по сравнению с людьми с сердечно-сосудистыми заболеваниями, и что количество Bilophila увеличивается в ответ на диету на основе мяса по сравнению с диетой на основе растений», - сказала Кивенсон. «Наши результаты показывают, что роль Bilophila в микробиоме и здоровье человека может зависеть от конкретного контекста и что их потенциал в качестве пробиотиков, смягчающих роль продуктов животного происхождения при сердечных заболеваниях, требует дальнейшего изучения».

Источник: Материалы предоставлены Oregon State University.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОСЫЛОК ИССЛЕДОВАНИЯ

ТМА	ТМАО

«Расширенный генетический код обеспечивает метаболизм триметиламина в кишечных бактериях человека»

Подробнее с результатами исследования можно ознакомиться в статье: Veronika Kivenson, Stephen J. Giovannoni. An Expanded Genetic Code Enables Trimethylamine Metabolism in Human Gut Bacteria. mSystems, 2020; 5 (5).

АННОТАЦИЯ.

Сердечно-сосудистые заболевания (ССЗ) связаны с диетами на основе продуктов животного происхождения, которые являются основным источником триметиламина (ТМА), предшественника проатерогенного соединения триметиламин-N-оксида (ТМАО). Бактерии кишечника человека из рода Bilophila обладают геномными сигнатурами для расширения генетического кода, которые могут позволить им метаболизировать как ТМА, так и его предшественники без образования ТМАО. Мы обнаружили доказательства того, что путь деметилирования Bilophila активно транскрибируется в микробиомах кишечника и что диеты на основе животных продуктов вызывают быстрое увеличение численности Bilophila. Частота сердечно-сосудистых заболеваний и численность Bilophila у людей имели значительную отрицательную корреляцию. Эти данные заставляют нас предположить, что Bilophila, которую обычно считают патобионтом, может играть роль в смягчении сердечно-сосудистых заболеваний. Было показано, что микробиомы кишечника человека влияют на развитие множества болезненных состояний, но установить механистические связи между диетой, здоровьем и микробиотой сложно. Гипотеза о том, что Bilophila уменьшает сердечно-сосудистые заболевания, обходя производство TMAO, предлагает четко определенный механизм с потенциальным воздействием на здоровье человека, но для полной оценки этих идей требуются исследования биологии и экологии клеток Bilophila.

ВАЖНОСТЬ.

Связи между триметиламин-N-оксидом (ТМАО) и сердечно-сосудистыми заболеваниями (ССЗ) привлекли внимание к механизмам, с помощью которых диета на основе продуктов животного происхождения имеет негативные последствия для здоровья. В метаанализе данных фундаментальных исследований микробиома кишечника мы обнаружили доказательства того, что у специализированных бактерий есть и выражается метаболический путь, который обходит производство ТМАО и часто неправильно аннотируется, поскольку он основан на расширении генетического кода. Этот естественный механизм ослабления ТМАО отрицательно коррелирует с сердечно-сосудистыми заболеваниями. В конечном итоге эти результаты указывают на новые направления исследований, которые могут улучшить понимание здоровья человека на основе микробиомов, и намекают на потенциальные биомедицинские применения, в которых специальные бактерии используются для сдерживания развития сердечно-сосудистых заболеваний.

ВВЕДЕНИЕ.

Микробиом кишечника человека получает все большее признание за его важную роль в здоровье. Микробиом кишечника вовлечен в сердечно-сосудистые заболевания (ССЗ), ведущую причину смерти в развитых странах. Было показано, что конечные продукты метаболизма, связанные с потреблением продуктов животного происхождения, способствуют развитию ССЗ; пищевые источники проатерогенных соединений включают холин, фосфатидилхолин и L-карнитин. Микроорганизмы кишечника превращают эти соединения в триметиламин (ТМА), который, в свою очередь, превращается в триметиламин-N-оксид (ТМАО) под действием флавинмонооксигеназы 3 (FMO-3) печени хозяина. ТМАО - возбудитель патогенеза ССЗ; поэтому выяснение путей, связанных с этим соединением, является центральным для понимания здоровья человека.

Канонический взгляд на сердечно-сосудистые заболевания и ТМАО включает действие микробиоты кишечника по преобразованию соединений-предшественников из ряда пищевых источников животного происхождения в ТМА, который затем может быть преобразован в ТМАО в печени (рис. 1А). Хотя ТМАО часто называют единственным продуктом распада ТМА, подмножество метаногенных архей в кишечнике имеет способность использовать ТМА альтернативным путем. Этот путь обеспечивается за счет расширения генетического кода (GCE) путем вставки 22-й аминокислоты, пирролизина (Pyl), вместо янтарного кодона TAG (одного из 3 кодонов (стоп-кодонов), терминирующих трансляцию – ред.) в консервативные участки генов три-, ди- и монометиламинметилтрансферазы с метаном в качестве конечного продукта. Метаболизм ТМА, основанный на белках, использующих расширенный код, также был описан у некоторых бактерий из окружающей среды, в том числе у симбионтов кишечных морских червей, а также у бактерии из типа Firmicutes - Acetohalobium arabaticum, выделенной из лагуны Крыма. Несмотря на его потенциальную важность, бактериальный метаболизм ТМА остается в значительной степени неисследованным в микробиоме кишечника.

Рисунок 1. (A) Канонический взгляд на ТМА: это соединение превращается в ТМАО в печени через печеночную флавинмонооксигеназу 3 хозяина, что приводит к повышенному риску сердечно-сосудистых заболеваний. (B) Новый взгляд на метаболизм ТМА, предложенный в этом исследовании: специализированные кишечные бактерии, Bilophila, увеличиваются в численности и используют расширение генетического кода для увеличения метаболизма, тем самым уменьшая количество ТМА, доступного для преобразования в ТМАО. ТМА, триметиламин; FMO-3, флавинмонооксигеназа 3; ТМАО, триметиламин-N-оксид; ССЗ, сердечно-сосудистые заболевания; DMA, диметиламин.

Дельтапротеобактерия (класс Deltaproteobacterium), обычно встречающаяся в кишечнике человека, Bilophila wadsworthia, также имеет гены, необходимые для кодирования пирролизина. Впервые выявленную при инфекции аппендицита в 1989 году, эту «желчелюбивую» таурин-деградирующую бактерию обычно называют патобионтом, связанным с абсцессами. Кроме того, Bilophila может вырабатывать сероводород, и эти бактерии могут быть связаны с воспалительными заболеваниями кишечника, колоректальным раком и систематическим воспалением. Несмотря на свою классификацию как патобионт, Bilophila также часто присутствует в микробиомах здорового человека. Существует неуверенность в отношении характеристик метаболических путей GCE и TMA в этих организмах; в частности, является ли пирролизиновый путь функциональным в транс и экспрессируется ли этот путь. Функция этого пути подвергается сомнению из-за организационных различий в гене пирролизил-тРНК синтетазы (см. Аминоацил-тРНК-синтетаза), необходимом для кодирования Pyl: у архей эта синтетаза кодируется одним геном, тогда как у Bilophila N- и C- терминальные домены кодируются двумя разными генами. Во-вторых, в предыдущих сообщениях о путях Pyl, гены триметиламинметилтрансферазы и Pyl обычно соседствуют друг с другом, в то время как у Bilophila это не так. В-третьих, в общедоступных наборах данных Bilophila, доступных на веб-серверах NCBI и JGI-IMG, белок ТМА-метилтрансфераза преждевременно усекается по кодону TAG. Несмотря на повсеместное распространение этой бактерии и ее потенциальную важность в модуляции уровней ТМАО (и, следовательно, риска сердечно-сосудистых заболеваний), эти неоднозначности остаются нерешенными, и исследования микробиома кишечника человека не упоминают о возможности бактериального пути использования ТМА. В этом исследовании мы исследуем этот альтернативный путь метаболизма триметиламина у Bilophila, изменение численности этого таксона в ответ на диету на основе продуктов животного происхождения и корреляцию между численностью Bilophila и патологией сердечно-сосудистых заболеваний (рис. 1B).

См. дополнительно:

• Микрофлора, ТМАО и атеросклероз
• ТМАО, вырабатываемый кишечной микробиотой, ассоциируется с воспалением сосудов
• Дисбиоз кишечника при атеросклеротических сердечно-сосудистых заболеваниях (ACVD)
• Микробиота кишечника и ее влияние на развитие атеросклероза и сопутствующих сердечно-сосудистых заболеваний