Идентификация бактериального метаболита аеругина как потенциального триггера дофаминергической нейродегенерации у человека (аннотация)Идентификация бактериального метаболита аеругина как потенциального триггера дофаминергической нейродегенерации у человека
Растущее число случаев идиопатической болезни Паркинсона (БП) позволяет предположить существование факторов окружающей среды, специфически влияющих на жизнеспособность дофаминергических (ДА-эргических) нейронов.
Действительно, в патогенезе БП замешаны некоторые промышленные химикаты и пестициды. Метаболиты, синтезируемые бактериями и грибками, также являются кандидатами на инициацию и развитие заболевания. Хотя известно, что некоторые гены ассоциированы с БП как доминантные или рецессивные факторы, не менее 90% всех случаев БП имеют спорадическое происхождение. Несколько доказательств, включая близнецовые исследования, показали критическую важность факторов окружающей среды в отношении возникновения БП. Возраст, безусловно, является основным фактором риска развития БП, однако неясно, почему у части стареющего населения заболевание развивается, а у большей части - нет.
Существует множество эпидемиологических данных, связывающих воздействие пестицидов с БП. Особенно убедительна связь с пестицидом ротеноном, что хорошо подтверждается экспериментами на животных. Некоторые данные свидетельствуют о роли дильдрина и высоких уровней параквата, однако окончательный вердикт по ним еще не вынесен. Хотя пестициды могут быть причиной некоторых случаев БП в сельских районах, общая распространенность заболевания вряд ли объясняется воздействием сельскохозяйственных химикатов. То же самое относится и к воздействию марганца. Еще одним химическим веществом, способным вызывать паркинсонизм, является 1-метил-4-фенил-1,2,3,6-тетрагидропиридин, однако зафиксированы лишь единичные случаи у наркоманов.
Исходя из наших знаний об этиологии этого заболевания, в этиологии БП могут играть роль и другие химические вещества, способствующие нейровоспалению или ферроптозу. Было показано, что нейровоспалительные состояния в развивающемся мозге способствуют потере дофаминовых (ДА) нейронов. Аналогичным образом, во взрослом мозге активация глиальных клеток и присутствие определенных цитокинов были определены как мощные факторы, усиливающие нигростриатальную дегенерацию в животных моделях. Однако химические вещества окружающей среды, провоцирующие такие состояния, остаются неустановленными. Аналогичная ситуация наблюдается и при изменении гомеостаза свободных ионов железа и железа в клетках. Железо может играть важную роль в гибели ДА-эргических нейронов, однако конкретные химические триггеры таких изменений остаются неизвестными.
Метаболиты, продуцируемые микробиомом, рассматриваются как значимые факторы, действительно, микробиом кишечника пациентов с БП отличается от здоровых людей и было показано, что при БП изменяется ось микробиом кишечника-мозг. Более того, нейродегенеративные изменения энтеральной нервной системы происходят на ранних стадиях патологии БП. Они могут предшествовать появлению двигательных симптомов на многие годы. На экспериментальных животных была установлена связь между микробиотой кишечника и патологией БП, поскольку стул из кишечника, перенесенный от пациентов с БП, способствовал развитию двигательной дисфункции у мышей.
Сообщалось, что некоторые микробные метаболиты специфически влияют на ДА-эргические нейроны. Например, грибковой метаболит 1-октен-3-ол был активен в модели БП на основе Drosophila melanogaster. Кроме того, предполагалось, что Streptomyces venezuelae продуцирует метаболит, который вызывает селективную ДА-эргическую нейродегенерацию у Caenorhabditis elegans. Тем не менее, биоактивность предполагаемого метаболита была подробно охарактеризована, но точная молекулярная идентичность не была выяснена.
Продукция токсинов S. venezuelae может иметь ограниченное значение для большинства случаев БП, поскольку эти бактерии обычно обитают в почве. Однако выяснение структуры нейротоксина может помочь в идентификации генов, участвующих в его синтезе. Биосинтетические кластеры вторичных метаболитов часто используют простые первичные метаболиты (например, аминокислоты) для построения сложных новых молекул, а гены для этого процесса могут передаваться горизонтально между многими видами бактерий). Таким образом, вторичные метаболиты, идентифицированные в почвенных бактериях, могут быть обнаружены и в микробах, тесно связанных с физиологией или патологией человека.
Будучи заинтересованными в изучении потенциально специфического ДА-эргического токсина, продуцируемом микроорганизмами, мы задались целью проверить эту гипотезу и выяснить его химическую структуру. Первые исследования подтвердили, что экстракты S. venezuelae убивают ДА-эргические нейроны человека, в то время как родственный штамм S. lividans такого эффекта не оказывает. Была разработана стратегия очистки, основанная на анализе клеточной нейротоксичности. После идентификации биологически активной молекулы она была повторно синтезирована и протестирована на селективную нейротоксичность для нейронов человека. Для определения типа вызываемой клеточной гибели был проведен фармакологический скрининг. Наконец, мы стремились определить специфичность токсиканта для ДА-эргических нейронов in vivo с помощью модельной системы C. elegans.
Было установлено, что экстракты Streptomyces venezuelae убивают дофаминергические нейроны человека (клетки LUHMES). Используя эту модельную систему, мы идентифицировали бактериальный метаболит, известный как аеругин (C10H11NO2S; 2-[4-(гидроксиметил)-4,5-дигидро-1,3-тиазол-2-ил]фенол), и подтвердили это открытие химическим ресинтезом. Ранее было показано, что это 2-гидроксифенил-тиазолиновое соединение является продуктом широко распространенного биосинтетического кластера, обнаруженного также в микробиоме человека и у ряда патогенных микроорганизмов.
Аеругин вызывал полумаксимальную дофаминергическую нейротоксичность при концентрации 3-4 мкМ. Он был менее токсичен для других нейронов (10-20 мкМ) и нетоксичен (при <100 мкМ) для обычных клеточных линий человека. Нейротоксичность полностью предотвращалась несколькими хелаторами железа, различными антиоксидантами и ингибитором каспазы. В модельном организме Caenorhabditis elegans на общую выживаемость не влияли концентрации аеругина до 100 мкМ. При воздействии аеругина на трансгенных червей, экспрессирующих зеленый флуоресцентный белок только в дофаминовых нейронах, наблюдалась специфическая нейродегенерация. Токсин также оказывал функциональную дофаминергическую токсичность у нематод, определяемую с помощью теста "базального ответа замедления".
Таким образом, в результате наших исследований был обнаружен бактериальный метаболит, обладающий удивительно избирательной токсичностью в отношении дофаминергических нейронов человека in vitro и дофаминергической нервной системы Caenorhabditis elegans in vivo. Полученные результаты свидетельствуют о необходимости дальнейшего изучения роли химических веществ, образующихся в окружающей среде в результате жизнедеятельности микроорганизмов, в патогенезе болезни Паркинсона.
