Fusobacterium nucleatum метаболически объединяет комменсалов и патогенов в биопленках полости рта (аннотация)Fusobacterium nucleatum метаболически объединяет комменсалов и патогенов в биопленках полости рта
Пародонтит - это многофакторное хроническое заболевание с различными фенотипами, часто характеризующееся воспалительным разрушением тканей пародонта.
Риск и тяжесть пародонтита объясняются дисбиотическим процессом в сообществе микробов, обитающих в поддесневой биопленке. В этом процессе Porphyromonas gingivalis играет центральную роль, хотя последние исследования показывают, что колонизация P. gingivalis не обязательно вызывает заболевание и что для полной вирулентности необходимо присутствие комменсальной микробиоты, что подчеркивает важность полимикробного синергизма в этиологии заболевания.
Примечательно, что недавно проведенный метатранскриптомный анализ субгингивального налета у пациентов с пародонтитом показал высокую сохранность метаболических профилей, даже несмотря на значительную вариабельность микробиоты. Этот вывод позволяет предположить, что переход между здоровьем и болезнью пародонта в большей степени коррелирует с изменением метаболической функции сообщества в целом, а не с присутствием отдельных таксонов, что привлекает внимание к метаболическим аспектам микробных сообществ в патогенезе пародонтита.
Перекрестное метаболическое питание является одним из ключевых факторов, определяющих формирование сообщества и метаболизм в нем. Подгруппа стрептококков полости рта участвует в перекрестном питании с другими членами сообщества, что часто приводит к повышению патогенности микробных сообществ. Известным примером является перекрестная передача лактата от Streptococcus gordonii бактериям, использующим лактат, таким как Veillonella parvula и Aggregatibacter actinomycetemcomitans, где S. gordonii выделяет лактат в качестве конечного продукта метаболизма глюкозы, что позволяет дополнительно использовать доступную глюкозу и повышает приспособленность этих организмов в сообществе.
S. gordonii также влияет на патогенность P. gingivalis путем выделения парааминобензойной кислоты, которая способствует жизнеспособности и колонизации P. gingivalis in vivo, хотя и со сниженной вирулентностью. Кроме того, V. parvula производит растворимые молекулы, которая поддерживает рост P. gingivalis из небольших популяций, способствуя колонизации и вирулентности in vivo. Учитывая недавние биоинформационные исследования, показывающие, что микробиом полости рта может производить огромное количество малых метаболитов, которые могут влиять на патофизиологию полости рта, многие другие метаболические взаимодействия между микробами полости рта, вероятно, еще предстоит открыть.
Fusobacterium nucleatum связывают как со здоровьем, так и с болезнью пародонта, поскольку его часто обнаруживают в образцах субгингивального налета как в здоровых, так и в больных участках. Хотя этот вид хорошо известен своей организующей ролью в биопленках полости рта через экспрессию многочисленных адгезинов, благодаря чему он может направлять пространственные отношения между ранними и поздними колонизаторами, метаболические аспекты межвидовых взаимодействий между F. nucleatum и другими членами сообщества остаются относительно неизвестными по сравнению с физическими.
Предыдущие исследования показали, что F. nucleatum поддерживает рост P. gingivalis, делая микросреду щелочной и менее оксидативной. F. nucleatum предпочитает пептиды и аминокислоты и производит бутират и аммиак в качестве конечных продуктов ферментативного пути, начиная в основном с глутамата и лизина. Вышеупомянутые метатранскриптомные анализы показали, что, несмотря на практически одинаковое количество F. nucleatum в образцах здоровых и больных пародонтитом, его метаболизм заметно изменяется в этих двух условиях. Учитывая, что F. nucleatum также тесно связан с серьезными системными заболеваниями, такими как неблагоприятные исходы беременности и колоректальный рак, важно улучшить наше понимание метаболических свойств F. nucleatum в полимикробных сообществах.
Недавно мы выявили новое метаболическое взаимодействие между S. gordonii и F. nucleatum, начиная с метаболизма аргинина S. gordonii в качестве субстрата в системе аргинин-деиминазы (ADS), через которую аргинин преобразуется в орнитин с одновременным производством аммиака и АТФ. Аргинин-орнитиновый антипортер S. gordonii, ArcD, затем выделяет орнитин как побочный продукт метаболизма ADS, что, в свою очередь, усиливает рост и развитие биопленки F. nucleatum. Однако неизвестно, как орнитин влияет на метаболизм F. nucleatum и какие последствия это взаимодействие имеет для этиологии заболевания.
Поэтому в данном исследовании мы поставили перед собой задачу более детально изучить метаболические взаимодействия, опосредованные F. nucleatum в многовидовых консорциумах, и определить, может ли участие F. nucleatum в метаболических взаимодействиях в биопленках полости рта влиять на потенциальную патогенность микробного сообщества. Используя синтетическую модель сообщества, а также клинические образцы зубного налета, данное исследование подтверждает новую роль F. nucleatum в качестве метаболического моста для передачи метаболического потока между начальными и поздними колонизаторами, создавая тем самым благоприятные условия для роста и распространения P. gingivalis. Мы показали, что интегрированная трофическая сеть F. nucleatum, производящая путресцин, ускоряет жизненный цикл биопленки Porphyromonas gingivalis, возбудителя пародонтоза, от планктонного состояния через формирование биопленки до ее рассеивания. Анализ образцов зубного налета выявил совместное присутствие P. gingivalis с генетическими модулями для производства путресцина S. gordonii и F. nucleatum.
В целом, наши результаты подчеркивают способность F. nucleatum вызывать синергетическую продукцию полиаминов в многовидовых консорциумах и дают представление о том, как трофическая сеть и кооперативный метаболизм в экосистемах биопленок полости рта может в конечном итоге формировать сообщества, ассоциированные с заболеваниями.
