Растущий объем научной литературы показывает, что микробиом кишечника может влиять на мозг множеством способов.
Проведенное на мышах исследование показало, что метаболит, выделяемый кишечными бактериями, напрямую связывается с геном в удаленной микроглии и способствует снижению когнитивных способностей. Статья, опубликованная 1 июня в журнале Cell Host & Microbe, показывает, что блокирование метаболита изоамиламина с помощью олигонуклеотида обращает вспять потерю памяти у мышей.
"Авторы представляют элегантную демонстрацию механизмов, с помощью которых ось [микробиом-бактериофаг-метаболит] дисрегулируется в процессе старения", - говорит Славица Крантич, исследователь нейровоспаления в Исследовательском центре Святого Антуана при Университете Сорбонны в Париже, которая не принимала участия в исследовании. "Может быть, самое интересное, что эта работа дает доказательство концепции терапии когнитивных дисфункций на основе олигонуклеотидов".
Метаболит изоамиламин (IAA) выделяется в кишечнике бактериями семейства Ruminococcaceae. Исследование показало, что эти бактерии, а значит и IAA, с возрастом становятся более распространенными в кишечнике как здоровых людей, так и мышей. Исследователи показали, что добавление IAA в клетки микроглии, полученные от молодых здоровых мышей, способствовало образованию так называемых апоптотических телец, что свидетельствует о том, что IAA вызывает гибель клеток.
Изначально исследователи заинтересовались IAA потому, что он может проходить через гематоэнцефалический барьер, а его индукция в кишечнике пожилых мышей коррелирует с экспрессией интересовавшего их гена S100A8, одного из нескольких генов, позволяющих микроглии чувствовать и реагировать на изменения в мозге стареющих мышей. Соавтор исследования Хуан-Ге Чжан, иммунолог из Университета Луисвилля, объясняет, что группа столкнулась с препятствием: маркировка такой маленькой молекулы, как IAA, тем же способом, что и относительно крупных белков, скорее всего, нарушит ее способность взаимодействовать с ДНК. Чтобы узнать, взаимодействует ли IAA непосредственно с S100A8 и каким образом, исследователям пришлось разработать новую методику скрининга взаимодействия малых метаболитов с ДНК, рассказывает Чжан.
Авторы решили использовать простой эффект: при связывании с метаболитом одна нить ДНК будет по-другому двигаться во время электрофореза - процесса, который разделяет молекулы по размеру и электрическому заряду. По словам Чжана, изучая такие сдвиги электрофоретической подвижности, исследователи могут определить, "какой тип метаболического продукта связывается с вашей ДНК" - этот метод исследователи назвали однонитевым сдвигом геля (single-strand gel shift - SSGS).
После инкубации промоторной области гена и метаболита вместе, исследователи обнаружили, что IAA связывается с промоторной областью S100A8. При ближайшем рассмотрении Чжан и его коллеги обнаружили, что при связывании с IAA структура промоторной области S100A8 разворачивается, что позволяет транскрипционному фактору p53 достичь промотора и вызвать экспрессию гена.
Чтобы понять, что означает это взаимодействие между IAA и S100A8 с функциональной точки зрения, исследователи давали IAA молодым мышам. Затем они прогнали мышей через три поведенческих и когнитивных теста. Молодые мыши, которых кормили IAA, хуже справлялись с заданиями, включающими прохождение лабиринтов и распознавание объектов, чем молодые контрольные мыши, не получавшие препарат. Авторы исследования предполагают, что активация микроглиальных клеток может прямо или косвенно влиять на последующую функцию нейронов, поскольку IAA способствовал потере и гибели нейронов в мозге молодых мышей. Невропатолог Томас Бланк из Университетской клиники Фрайбурга в Германии, который не принимал участия в исследовании, сообщил, что "полученные данные убедительно свидетельствуют о том, что IAA является фактором когнитивного снижения".
"Выявление возрастных изменений в микробиоме кишечника у людей, которые привели к увеличению бактериального метаболита, изоамиламина, способного напрямую связываться с геномной ДНК в мозге мышей, действительно интересно", - говорит Мелани Гаро, исследователь оси микробиота-кишечник-мозг в Калифорнийском университете в Дэвисе, которая не принимала участия в исследовании.
Наконец, исследователи проверили, может ли блокирование взаимодействия между IAA и S100A8 обратить вспять когнитивные изменения. Они определили олигонуклеотид S100p1-G, который конкурирует с IAA за связывание промоторной области S100A8 и предотвращает активацию гена. Когда исследователи дали эти олигонуклеотиды пожилым мышам, они обнаружили, что это улучшило их показатели при выполнении когнитивных задач, что, по мнению авторов, свидетельствует об улучшении памяти и пространственного обучения.
"Способность продемонстрировать когнитивные дефекты после введения выделенного бактериального метаболита и восстановление поведения у мышей путем его блокирования также очень новаторская вещь", - отмечает Гаро. Однако Бланк предупреждает, что "хотя уровень S100A8 повышается с возрастом и может активировать аутофагию и апоптоз, необходимы дальнейшие исследования для подтверждения этой гипотезы и доказательства действия этого метода."
Новая технология SSGS является одним из самых больших достижений данной работы, говорит Крантич, добавляя, что это "несомненно огромный шаг в новую эру исследований взаимодействий между малыми молекулами и нуклеиновыми кислотами". Исследователи надеются, что в будущем эта технология может быть применена в исследованиях, не связанных со старением, например, "с любыми метаболитами, которые участвуют в регуляции экспрессии генов", - говорит Чжан.
Исследование также предполагает, что терапия на основе олигонуклеотидов может быть применена для лечения когнитивных расстройств и нейродегенеративных заболеваний, отмечает Крантич. Чжан предполагает, что аналогичный подход может быть использован для выявления олигосом, способных блокировать воспаление в различных типах клеток, поскольку воспаление играет важную роль в различных типах заболеваний.
