Влияние белков на микробиом кишечника
В 1999 г. Констанс Дж. Джеффери, ныне доцент Иллинойского университета, написала, что "идея 1 ген - 1 белок - 1 функция стала слишком простой, поскольку все большее число белков выполняют две или более различных функций".
Джеффери имела в виду "белки, работающие по совместительству" или "лунные" белки (moonlighting proteins - MP) - повсеместно распространенное подмножество белков, обнаруженных задолго до начала нынешнего столетия. По мере того как эти биомолекулы оказываются в центре внимания, можно понять беспокойство Джеффери. Эти белки действительно особенные. Развиваясь благодаря обмену генами, МР состоят из одиночных полипептидных цепей, которые выполняют множество биологических функций. В данной статье мы рассмотрим, как такая многофункциональность влияет как на отдельные микроорганизмы, так и на окружающие их микробные консорциумы, особенно в высокодинамичной среде кишечника.
Что это за "подрабатывающие" белки?
"Подработка" - это про человека, который работает более чем на одной работе, особенно поздно вечером или ночью. В мире биохимии некоторые белки также известны как "лунные" - не обязательно в соответствии с циркадными ритмами. MP - это мастера многозадачности, способные одновременно координировать множество независимых клеточных действий, включая первичные (например, ферментативный катализ) и вторичные (например, трансдукцию сигналов, регуляцию транскрипции, адгезию к клеткам-мишеням и т.д.) функции. Многие из них функционируют как шапероны - основной класс МР, причем большинство из них являются высококонсервативными и, как считается, произошли от древних ферментов.
Кроме того, МР повсеместно распространены во многих областях жизни - от архей, протистов и растений до животных. Это особенно важно для прокариот, таких как бактерии и археи, поскольку многофункциональность МР приводит к снижению затрат энергии на метаболизм. Начиная с репликации ДНК и заканчивая синтезом различных белков, энергия, которая в противном случае потребовалась бы для производства двух или более различных белков, сохраняется, что обеспечивает микробам более высокие конкурентные преимущества в плане выживания, роста и эффективного использования ресурсов. В целом, роль MP настолько существенна, что попытка инактивации одного их гена просто приведет к гибели организма.
Тем не менее, важно отметить, что клеточная деятельность того или иного МР координируется независимо друг от друга. При инактивации одной функции ген может продолжать безупречно выполнять свою вторую функцию. Это накладывает на ген 2 или более различных селективных ограничений и означает, что функциональность МР зависит как от локализации белка, так и от его структуры. Примеры того, как локализация белка влияет на форму клетки и возможность ее агрегации, были получены на примерах Candida auris и Staphylococcus aureus.
Откуда берутся "лунные" белки?
Каким образом эти гены приобретают такую многофункциональность? Это происходит не в результате беспорядочной ферментативной активности, когда один участок на белке вмещает множество молекул, не в результате сплайсинга генов или слияния генов. Скорее, у MP есть участки на одном белке, которые в результате совместного использования генов стали выполнять и поддерживать несколько ролей без дублирования генов или потери основной функции.
MP воздействуют на клетки и другие организмы в окружающей их среде, поэтому микробиом кишечника, хранящий в себе целый мир взаимодействий между микробами, является идеальным местом для более глубокого изучения роли MP в регулировании взаимодействий между видами микроорганизмов.
В кишечнике первым важным взаимодействием между бактериями и поверхностью клеток хозяина является адгезия, поскольку для выживания бактерии должны установить свое присутствие (колонизироваться). Некоторые бактерии, например анаэробные Bacteroidaceae и Bifidobacteriaceae, связываются со слизистым слоем кишечника (где он наиболее толстый - от 30 до 300 мкм) и используют для питания непереваренные сложные углеводы из тонкого кишечника. При распаде сложных углеводов, таких как О-гликан муцина, они становятся доступными для питания других микроорганизмов. Такое перекрестное питание способствует развитию и процветанию микробного сообщества кишечника.
Факторы и механизмы, лежащие в основе поддержания микробных сообществ в кишечнике, до сих пор не вполне изучены, однако исследования показывают, что MP могут играть важную роль. МР часто секретируются и, локализуясь на поверхности клеток-мишеней (например, в слизистой оболочке кишечника), переходят от катализа к выполнению вторичных функций, таких как передача сигнала и транскрипционная регуляция. Они прикрепляются к эпителиальным клеткам, белкам внеклеточного матрикса, гликокаликсу и муцинам не через рецепторы, а посредством ионных взаимодействий как с комменсальными, так и с патогенными бактериями кишечника.
Некоторые MP даже выступают в роли пробиотиков. Например, МР GroEL (молекулярный шаперонный комплекс, способствующий правильному сворачиванию других белков в клетке) вмешивается в процесс агрегации патогенной бактерии Helicobacter pylori, связываясь с муцином и эпителиальными клетками желудка и двенадцатиперстной кишки. Энолаза Lactobacillus jensenii подавляет адгезию Neisseria gonorrhoeae к эпителиальным клеткам, а белок триггерного фактора MP (Tig) из Lactobacillus fermentum - адгезию Enterococcus faecalis. Эти MP-белки позволяют комменсальным бактериям прикрепляться и взаимодействовать с организмом хозяина, тем самым устанавливая гомеостаз кишечника и препятствуя прикреплению различных патогенных микроорганизмов.
Более глубокий анализ двух конкретных кишечных бактерий позволил получить дополнительную информацию о таком "подработочном" поведении. Bifidobacterium longum и Bacteroides thetaiotaomicron - два распространенных муколитических комменсала кишечника, которые умеют преодолевать слизистый барьер. B. longum обычно живет вместе со своим естественным симбионтом - B. thetaiotaomicron, и вместе эти микроорганизмы составляют 20% микробиома кишечника человека.
Прикрепившись к муциновому слою, B. longum и B. thetaiotaomicron побуждают окружающую микрофлору к процветанию по принципу перекрестного питания, описанному выше, и поддерживают контакт с хозяином с помощью МР. Эти два анаэробных симбионта продуцируют внеклеточные везикулы (EVs), содержащие цитоплазматические MP, которые постоянно секретируются в кишечнике. Так, в EV B. longum содержится не менее 13 МР, включая рибосомальные белки, энолазу, фосфоглицераткиназу (PGK), белок теплового шока (Hsp) GroEL, фактор элонгации EF-Tu и др.
GroEL и EF-Tu, секретируемые B. longum, локализуются на поверхности клетки и используют электростатические взаимодействия (характерные для МР) для усиления адгезии B. thetaiotaomicron к муцину хозяина. Примечательно, что это взаимодействие отличается от якорной адгезии, которая наблюдается у других однофункциональных белков, например фимбрий, и является необратимым. B. longum и B. thetaiotaomicron успевают прикрепиться к муцину, а также способствуют колонизации (адгезии) других микробов кишечника.
Благодаря "благосклонности" этих и других муколитических микробов в кишечнике создается легкодоступный источник пищи, симбиоз в нем преобладает над антагонизмом, и происходит постоянное взаимодействие с видами хозяев.
Где находятся "лунные" белки
Клеточное происхождение MP трудно определить. Поскольку они играют неспецифическую и множественную роль в клетке хозяина или микроорганизма, они бросают вызов представлениям о традиционных функциях белков и поэтому могут быть труднодостижимыми для отслеживания или определения их первоначального происхождения. Тем не менее, известно несколько триггеров, вызывающих переключение функций MP, к которым относятся взаимодействия с ДНК или РНК, небольшое изменение температуры, изменение олигомерного состояния белка и т.д.
Несмотря на эти трудности, в настоящее время разрабатывается несколько методов идентификации МР:
- Изучение эволюционной истории белков
- Изучение структурных (особенно поверхности белка) и последовательностных особенностей
- Дальнейшее сравнение с ортологичными белками с теми же основными функциями
- Создание баз данных и обращение к ним.
Ученые утверждают, что исследование этого направления имеет большие перспективы, особенно если учесть, что MP сильно влияют на внутренний метаболизм - не только в нашем кишечнике, но и за его пределами - посредством иммуномодуляции и образования биопленок как у хозяина, так и у микроба.
Что же дальше? До сих пор не выяснено происхождение MP, не выяснены универсальные роли каждого MP в микробиоме кишечника. Изучение эволюционной истории и сохранения МР у различных видов с течением времени может привести к интересным открытиям. Это лишь некоторые вопросы, но многие из них до сих пор остаются без ответа, и поэтому данная область имеет большой потенциал для исследований и разработок.
