Белок микробиома стимулирует бета-клетки поджелудочной железы

Обедненный микробиом в младенчестве как причина диабета 1-го типа

Белок BefA, секретируемый микробиотой разрушитель клеточных мембран, проникает в поджелудочную железу и увеличивает количество β-клеток

Новое исследование в очередной раз показывает важность состава кишечного микробиома ребенка в раннем возрасте, на что очень сильно влияют такие факторы, как антибиотики и искусственное вскармливание. Как известно роль кишечного микробиома в поддержании иммунитета очень велика. Преодолевая кишечный барьер, бактерии могут попадать в кровь и действовать как естественная вакцина: нормально работающая иммунная система запоминает каждый новый патоген и формирует против него антитела на будущее.

Также состав микробиома влияет на выработку сигнальных молекул (цитокинов), которые могут либо подавлять, либо усиливать иммунный ответ. Это тонкая настройка, и если иммунитет будет чрезмерно активирован, то могут возникнуть аутоиммунные реакции – иммунные клетки будут атаковать здоровые клетки организма, вызывая в конечном итоге аутоиммунные заболевания, среди которых диабет 1-го типа занимает лидирующее место среди эндокринных заболеваний.

Рис. 1. поджелудочная железа и бета клетки

Для регулирования уровня сахара в крови организму необходим инсулин. Этот гормон влияет на обмен веществ практически во всех тканях, а вырабатывают его бета-клетки поджелудочной железы. При снижении их количества или истощении нарушается секреция инсулина, а это приводит к сахарному диабету.

В раннем возрасте есть короткий период, когда бета-клетки активно размножаются. Функциональное созревание β-клеток, секретирующих инсулин, начинается до рождения и завершается в раннем послеродовом периоде. Этот процесс оказывает решающее влияние на приобретение адекватной функциональной массы β-клеток и на способность удовлетворять потребности в инсулине в дальнейшей жизни. У большинства людей этот процесс протекает нормально, но у некоторых иммунная система вдруг начинает атаковать формирующуюся клеточную популяцию, нарушая ее способность производить инсулин в должном объеме. В этом случае у детей развивается диабет 1-го типа.

Рис.2. Инсулин необходим, чтобы обеспечить доступ глюкозы в клетки, где она перерабатывается для получения энергии. Без инсулина глюкоза накапливается в крови, а клетки остаются без энергии

Американские ученые под руководством Дженнифер Хилл из Института молекулярной биологии Орегонского университета определили, что рост популяции бета-клеток происходит одновременно с диверсификацией микробных сообществ в кишечнике, а у людей с диабетом первого типа, как правило, более бедный кишечный микробиом. Вывод достаточно очевидный — учитывая роль микробиома в "обучении" иммунной системы и предотвращении аутоиммунных реакций.

Однако при детальном рассмотрении оказалось, что связь между микробиомом и бета-клетками намного глубже.

В лабораторных экспериментах авторы выяснили, что у рыбок данио, лишенных кишечной микрофлоры, поджелудочная железа содержит значительно меньше бета-клеток. Их репликацию, как установили исследователи, запускает на ранних стадиях развития вырабатываемый бактериями белок BefA. Опыты на мышах дали аналогичные результаты. Возможно, и у детей с диабетом первого типа в кишечнике не хватает бактерий, производящих BefA, предположили ученые.

Рис. 3. Рыбка Данио - мощная система для моделирования заболеваний и развития позвоночных с использованием различных молекулярных и генетических инструментов. Геном рыбок Данио обладает высокой степенью сходства с геномом человека.  Большинство тканей и органов, обнаруженных у людей и рыбок Данио, одинаковы, за исключением отсутствующих легких, простаты и молочных желез.

В недавней работе Хилл и ее коллеги детально изучили структуру белка и описали его свойства. Оказалось, что BefA обладает способностью разрушать мембраны многих видов клеток. Но, что удивительно, атака BefA заставляет бета-клетки активно реплицировать — это тоже стало открытием.

Рис. 4. Белок BefA, вырабатываемый кишечными бактериями, поступает в поджелудочную железу и запускает пролиферацию бета-клеток, продуцирующих инсулин. При этом он индуцирует изменение проницаемости мембран клеток, в том числе бактериальных (например у Bacillus и Staphylococcus).

Ученые протестировали мутированную версию белка BefA, не способную воздействовать на клеточные мембраны. Она не влияла на производство бета-клеток, что еще раз указывает на то, что активная пролиферация бета-клеток связана именно с повреждением их мембран.

Предыстория и поясняющие моменты

В 2016 году Дженнифер Хэмптон Хилл и группа ученых обнаружили белок, вырабатываемый резидентной микробиотой рыбок данио и мышей и способный стимулировать развитие β-клеток. Белок назвали BefA (beta cell expansion factor A). Он вырабатывается в норме также в кишечнике человека. BefA, произведенный микробиотой человека, стимулирует рост клеток у рыбок данио, так что, вероятно, гомологи BefA можно применять на представителях разных видов. В новой работе Хилл с коллегами проанализировали структуру BefA и определили конкретные механизмы, благодаря которым этот белок может влиять на пролиферацию клеток поджелудочной железы. 

Для понимания механизмов функционирования белка исследователи создали и проанализировали его 3D структуру. В его составе был обнаружен липидсвязывающий домен SYLF, который играл ключевую роль в индукции β-клеток. Авторы доказали это в опытах с вариантами белка BefA, у которых искусственно была усечена часть домена SYLF. Такие белки менее эффективно стимулировали β-клетки, чем BefA с цельным доменом SYLF.

Исследования на дрожжах, растениях и млекопитающих показали, что SYLF отвечает за подвижность и эндоцитоз посредством связывания с актиновыми филаментами или мембранными липидами. Исходя из этих данных, авторы решили проанализировать взаимодействие BefA с F-актином и липидами. Для этого они инкубировали BefA вместе с гигантскими липидными везикулами, меченными техасским красным, и смотрели за высвобождением красителя из везикул. Также они проверили, может ли BefA нарушать целостность бактериальных мембран на двух бактериях Bacillus и Staphylococcus, изолированных у рыбок данио. Результаты показали, что BefA индуцирует изменение проницаемости мембран клеток, в том числе бактериальных.

Опыты на клетках поджелудочной железы, полученных у стерильных (не имеющих своей микробиоты) рыбок данио, показали стимулирующие влияние белка BefA на пролиферацию и развитие β-клеток с восстановлением нормальной морфологии островков. Это подтверждало прямое стимулирующие влияние BefA на β-клетки. Авторы также проверили, как BefA диссеменирует и действует на поджелудочную железу рыбок in vivo. Они показали, что белок системно распространяется различными путям, напрямую влияя на островки поджелудочной железы.

В опытах на мышах белок BefA также сохранял свою способность напрямую влиять на β-клетки, стимулируя их пролиферацию. Все это указывает на связь между изменением проницаемости мембран под действием белка BefA и активностью пролиферации и развития β-клеток островков Лангерганса. 

См. также: Пероральное введение бактериального фактора размножения бета-клеток A (BefA) облегчает диабет у мышей с диабетом 1 и 2 типа

Источник: Hill J.H., et al. BefA, a microbiota-secreted membrane disrupter, disseminates to the pancreas and increases β cell mass. // Cell Metabolism, Published 13 October 2022. DOI: 10.1016/j.cmet.2022.09.001

К разделу: Микрофлора ЖКТ и сахарный диабет

Будьте здоровы!