Отсутствие в кишечнике микроорганизмов, вырабатывающих фермент, необходимый для распада билирубина, может предрасполагать к некоторым заболеваниям, в том числе к воспалительным заболеваниям кишечника.
Почти два века назад ученые открыли билирубин - желтый пигмент, образующийся при распаде эритроцитов, который, накапливаясь в организме, делает кожу и белки глаз желтыми. Однако фермент, необходимый для его распада, до сих пор не был найден учеными. В 1970-х годах исследователи заподозрили, что в геноме человека может не быть гена этого фермента, после того как обнаружили несколько видов бактерий, расщепляющих билирубин, и выяснили, что этот процесс происходит в кишечнике человека. Теперь, спустя более 40 лет, ученые вышли на след этого фермента. В журнале Nature Microbiology они описали множество других кишечных бактерий, расщепляющих билирубин, и выявили связь между отсутствием этих микроорганизмов в кишечнике и рядом распространенных заболеваний.
Когда билирубин проходит через кишечник, он либо расщепляется бактериями и выводится из организма, либо реабсорбируется, накапливаясь в организме. Ограничение накопления билирубина крайне важно, поскольку его избыток вызывает желтоватую пигментацию кожи, характерную для желтухи, а в тяжелых случаях - неврологические повреждения. Таким образом, соотношение бактерий, расщепляющих билирубин, и бактерий, не расщепляющих его, в кишечнике может склонить чашу весов в ту или иную сторону и повлиять на уровень пигмента в организме.
Сяофан Цзян, специалист по вычислительной биологии из Национального института здоровья США, в сотрудничестве с Брэнтли Холлом, микробиологом из Университета Мэриленда, попытался найти фермент кишечных бактерий, необходимый для расщепления билирубина. Они планировали сравнить гены, общие для бактерий, расщепляющих билирубин, но отсутствующие у бактерий, не расщепляющих его, пока не найдут ген, кодирующий этот неуловимый фермент. Однако им было известно лишь несколько видов бактерий, расщепляющих билирубин, и для того, чтобы найти нужный ген, требовалось больше информации.
Чтобы найти новые бактерии, расщепляющие билирубин, им нужен был метод обнаружения распада билирубина. Продукты ферментативного распада билирубина нестабильны и легко взаимодействуют с йодом, образуя органические молекулы, которые флуоресцируют. Поэтому ученые добавили билирубин и йод к различным видам бактерий и зафиксировали in vitro тех, которые флуоресцировали, что указывало на то, что они расщепляют пигмент.
Немногочисленные известные бактерии, усваивающие билирубин, относятся к филуму Firmicutes, поэтому исследователи отдали предпочтение этим и близкородственным видам бактерий кишечника. Они нашли девять видов, которые излучали флуоресцентный сигнал. Набрав достаточное количество видов, ученые решили сравнить их геномы и найти ген, кодирующий искомый фермент.
Они ожидали, что у этих бактерий будет большое количество общих генов, поэтому задумались о том, как может выглядеть ген, кодирующий этот фермент. Авторы начали с того, что предположили, как будет работать фермент: билирубин содержит четыре набора углерод-углеродных двойных связей, но бактерии высвобождали структуры с одинарными связями, что позволило предположить, что их фермент будет нацелен на эти двойные связи. Этот тип фермента исследователи классифицировали как оксидоредуктазу. Отфильтровав гены, которые были общими для пяти бактерий, усваивающих билирубин, и отсутствовали у пяти близкородственных бактерий, не усваивающих его, они стали искать гены, имеющие сходство с известными оксидоредуктазами. Это привело их к одному единственному гену.
Чтобы выяснить, кодирует ли этот ген фермент, расщепляющий билирубин, а не какую-то другую оксидоредуктазу, они перенесли его в бактерии, не способные расщеплять пигмент, и измерили, развилась ли у этих бактерий способность расщеплять билирубин. Оказалось, что ген передал эту способность. Более того, эти бактерии расщепляли все четыре двойные связи билирубина, что говорит о том, что для этого этапа расщепления билирубина не нужны дополнительные бактериальные ферменты. "Ранее микробиологи считали, что за это отвечают четыре фермента", - объясняет Холл. "Но наш фермент - это один фермент, который делает сразу четыре вещи". Авторы назвали фермент билирубин-редуктазой (BilR).
Далее они изучили, насколько широко BilR распространен среди бактерий. Проведя поиск в базе данных Genome Taxonomy Database, они обнаружили 658 уникальных бактерий, большинство из которых принадлежали к Firmicutes, и содержали близко совпадающие последовательности.
Учитывая широкое распространение гена в бактериях, исследователи обратили внимание на микробиом человека. Они изучили геномы бактерий кишечника 1 801 здорового взрослого человека и обнаружили, что практически все они являются носителями ферментов, расщепляющих билирубин. Холл заявил: "Я поражен тем, что этот фермент присутствует практически у всех взрослых - по нашим данным у 99,9%. Несмотря на то, что состав микробиома у взрослых людей очень разный, эта общность существует ".
Здоровые взрослые люди являются носителями билирубин-дигестивных ферментов, но исследователи задались вопросом, отсутствуют ли они у людей с определенными заболеваниями. Они обнаружили, что более чем у 30% людей с воспалительными заболеваниями кишечника и почти у 70% новорожденных в возрасте до одного месяца отсутствуют расщепители билирубина. Бактерии начинают колонизировать кишечник младенца только после рождения, поэтому отсутствие расщепителей билирубина может отчасти объяснить, почему у новорожденных часто встречается желтуха .
Зная последовательность фермента, ученые смогут расширить исследования билирубина в различных направлениях, в том числе и для терапевтического применения. "Именно это эпохальное открытие позволит нам прийти к этой цели", - говорит Закари Кипп, фармаколог из Университета Кентукки, не принимавший участия в исследовании. "Как мы можем воздействовать на [билирубин], и какое значение он имеет для различных заболеваний? Это было бы очень хорошим следующим шагом в развитии этого исследования".
Терри Хиндс, фармаколог из Университета Кентукки, который не был участником исследования, но был рецензентом статьи, сказал: "Мы много думали о том, что теперь, когда мы знаем фермент, можем ли мы вывести мышей с ним? И есть ли пробиотики, которые могут его контролировать?".
BilR - лишь один из многих ферментов кишечных бактерий, которые до сих пор ускользали от внимания ученых. "Существует множество неизвестных ферментов, кодируемых кишечными бактериями, которые играют важную роль в физиологии человека", - отметил Цзян, который намерен использовать биоинформационные методы, чтобы в будущем обнаружить больше таких скрытых жемчужин. Холл добавляет: "Понимание этого диалога между хозяином и продуктами микробиома будет иметь решающее значение для понимания того, как микробиом влияет на здоровье и заболевания".
