Эволюционные аспекты взаимодействия микробиома желудочно-кишечного тракта и организма-хозяина в формировании целостности гастроинтестинального барьера
- Авторы: Лоскутов С.И.1, Прошин С.Н.2, Рябухин Д.С.1
-
Учреждения:
- Всероссийский научно-исследовательский институт пищевых добавок — филиал ФГБНУ «Федеральный научный центр пищевых систем им. В.М. Горбатова» РАН
- Российский государственный педагогический университет им. А.И. Герцена
- Выпуск: Том 12, № 5 (2022)
- Страницы: 819-826
- Раздел: ОБЗОРЫ
- URL: https://ogarev-online.ru/2220-7619/article/view/119094
- DOI: https://doi.org/10.15789/2220-7619-EAO-1633
- ID: 119094
Цитировать
Полный текст
Аннотация
Ключевым компонентом функциональной системы жизнеобеспечения и поддержания гомеостаза организма-хозяина является микробиом. На протяжении всего онтогенетического развития, микробиом, включая микробиоту желудочно-кишечного тракта (ЖКТ), является тем витальным фактором, который обеспечивает не только функционирование организма-хозяина, но и его взаимодействие с окружающей средой. Чтобы раскрыть механизмы, на основе которых микробиом ЖКТ оказывает решающее влияние на организм-хозяина, необходим системный подход, поскольку разные микроорганизмы в разной степени присутствуют в тех или иных отделах ЖКТ. Получившее в последнее время интенсивное развитие новое междисциплинарное направление науки — нанобиоинформатика — рассматривает в качестве основного объекта изучения «генные сети», представляющие собой координируемую группу генов, функционально обеспечивающих формирование и фенотипическое «раскрытие» различных признаков у организма-хозяина. Важное место здесь должно быть уделено генетически детерминированному уровню микробиома ЖКТ, его взаимодействию на уровне пищевых систем организма-хозяина. Появляется все больше данных, указывающих на то, что микробиом прямо участвует в патогенезе заболеваний организма-хозяина, комплексно взаимодействуя с метаболической и иммунной системами хозяина. При этом микробное сообщество неравномерно распределено по ЖКТ, а разные его отделы по-разному активны при взаимодействии с иммунной системой организма-хозяина. «Архитектура» взаимодействия между микробиомом и клетками организма-хозяина чрезвычайно комплексна, а взаимодействие отдельных клеток при этом сильно различается. Бактерии, колонизирующие крипты тонкого кишечника, регулируют пролиферацию энтероцитов, оказывая влияние на репликацию ДНК и экспрессию генов, тогда как бактерии на верхушках ворсинок кишечника опосредуют экспрессию генов, отвечающих за метаболизм и иммунный ответ. Энтероциты и клетки Панета, в свою очередь, регулируют жизнедеятельность сообщества микроорганизмов через продукцию полисахаридов (карбогидратов) и антибактериальных факторов на своей поверхности. Таким образом, поддерживается целостность гастроинтестинального барьера (ГИБ), который защищает организм от инфекций и воспаления, тогда как нарушение его целостности приводит к ряду заболеваний. Показано, что микробиом в зависимости от доминирования определенных видов бактерий может поддерживать или нарушать целостность ГИБ. Структурно-функциональная целостность ГИБ важна для гомеостаза организма. К настоящему времени охарактеризовано не менее 50 белков, участвующих в структурно-функциональной интегративности плотных контактов между эпителиальными клетками ЖКТ. В предложенном обзоре рассмотрены именно эти вопросы. В нем представлены оригинальные исследования, выполненные на различных объектах трансляционной биомедицины.
Ключевые слова
Полный текст
Открыть статью на сайте журналаОб авторах
С. И. Лоскутов
Всероссийский научно-исследовательский институт пищевых добавок — филиал ФГБНУ «Федеральный научный центр пищевых систем им. В.М. Горбатова» РАН
Автор, ответственный за переписку.
Email: lislosk@mail.ru
С. Н. Прошин
Российский государственный педагогический университет им. А.И. Герцена
Email: lislosk@mail.ru
Д. С. Рябухин
Всероссийский научно-исследовательский институт пищевых добавок — филиал ФГБНУ «Федеральный научный центр пищевых систем им. В.М. Горбатова» РАН
Email: lislosk@mail.ru
Список литературы
- Abhyankar W.R., Zheng L., Brul S., de Koster C.G., de Koning L.J. Vegetative cell and spore proteomes of Clostridioides difficile show finite differences and reveal potential protein markers. J. Proteome Res., 2019, vol. 18, no. 11, pp. 3967–3976. doi: 10.1021/acs.jproteome.9b00413
- Barko P.C., McMichael M.A., Swanson K.S., Williams D.A. The gastrointestinal microbiome: a review. J. Vet. Intern. Med., 2018, vol. 32, pp. 9–25. doi: 10.1111/jvim.14875
- Cani P.D., Delzenne N.M. Interplay between obesity and associated metabolic disorders: new insights into the gut microbiota. Curr. Opin. Pharmacol., 2009, vol. 9, no. 6, pp. 737–743. doi: 10.1016/j.coph.2009.06.016
- Cani P.D., Delzenne N.M. Involvement of the gut microbiota in the development of low grade inflammation associated with obesity: focus on this neglected partner. Acta Gastroenterol. Belg., 2010, vol. 73, pp. 267–269
- Cecil R.L., Nicholls E.E., Stainsby W.J. Bacteriology of the blood and joints in rheumatic fever. J. Exp. Med., 1929, vol. 50, pp. 617–642. doi: 10.1084/jem.50.5.617
- Clark A., Mach N. Exercise-induced stress behavior, gut microbiota-brain axis and diet: a systematic review for athletes. J. Int. Soc. Sports Nutr., 2016, vol. 13: 43. doi: 10.1186/s12970-016-0155-6
- Circu M.L., Aw T.Y. Intestinal redox biology and oxidative stress. Semin. Cell Dev. Biol., 2012, vol. 23, pp. 729–737. doi: 10.1016/ j.semcdb.2012.03.014
- Code C.F. Histamine and gastric secretion. Ed. WolstenholmeG., O’Connor C. Little Brown & Co, 1956, pp. 189–219.
- Conroy M.J., Bullough P.A., Merrick M., Avent N.D. Modelling the human rhesus proteins: implications for structure and function. Br. J. Haematol., 2005, vol. 131, pp. 543–551. doi: 10.1111/j.1365-2141.2005.05786.x
- Delzenne N.M., Neyrinck A.M., Backhed F., Cani P.D. Targeting gut microbiota in obesity: effects of prebiotics and probiotics. Nat. Rev. Endocrinol., 2011, vol. 7, pp. 639–646. doi: 10.1038/nrendo.2011.126
- Eisen J.A. A phylogenomic study of the MutS family of proteins. Nucleic Acids Res., 1998, vol. 26, no. 18, pp. 4291–4300. doi: 10.1093/nar/26.18.4291
- Ercolini A.M., Miller S.D. The role of infections in autoimmune disease. Clin. Exp. Immunol., 2009, vol. 155, pp. 1–15. doi: 10.1111/j.1365-2249.2008.03834.x
- Faith J.J., McNulty N.P., Rey F.E., Gordon J.I. Predicting a human gut microbiota’s response to diet in gnotobiotic mice. Science, 2011, vol. 333,no. 6038, pp. 101–104. doi: 10.1126/science.1206025
- Ferrier L. Significance of increased human colonic permeability in response to corticotrophin-releasing hormone (CRH). Gut, 2008, vol. 57, pp. 7–9. doi: 10.1136/gut.2007.129841
- Freestone P.P., Sandrini S.M., Haigh R.D., Lyte M. Microbial endocrinology: how stress influences susceptibility to infection. Trends Microbiol., 2008, vol. 16, no. 2, pp. 55–64. doi: 10.1016/j.tim.2007.11.005
- Gao W., Howden B.P., Stinear T.P. Evolution of virulence in Enterococcus faecium, a hospital-adapted opportunistic pathogen. Curr. Opin. Microbiol., 2018, vol. 41, pp. 76–82. doi: 10.1016/j.mib.2017.11.030
- Gareau M.G., Sherman P.M., Walker W.A. Probiotics and the gut microbiota in intestinal health and disease. Nat. Rev. Gastroenterol. Hepatol., 2010, vol. 7, pp. 503–514. doi: 10.1038/nrgastro.2010.117
- Gareau M.G., Silva M.A., Perdue M.H. Pathophysiological mechanisms of stressinduced intestinal damage. Curr. Mol. Med., 2008, vol. 8, pp. 274–281. doi: 10.2174/156652408784533760
- Gazzarrini S., Lejay L., Gojon A., Ninnemann O., Frommer W.B., von Wiren N. Three functional transporters for constitutive, diurnally regulated, and starvation-induced uptake of ammonium into Arabidopsis roots. Plant Cell, 1999, vol. 11, pp. 937–947. doi: 10.1105/tpc.11.5.937
- Gerbe F., van Es J.H., Makrini L., Brulin B., Mellitzer G., Robine S., Romagnolo B., Shroyer N.F., Bourgaux J.-F., Pignodel C., Clevers H., Jay P. Distinct ATOH1 and Neurog3 requirements define tuft cells as a new secretory cell type in the intestinal epithelium. J. Cell Biol., 2011, vol. 192, pp. 767–780. doi: 10.1083/jcb.201010127
- Gravitz L. Microbiome: the critters within. Nature, 2012, vol. 485, pp. S12–13. doi: 10.1038/485S12a
- Hackette S.L., Skye G.E., Burton C., Segel I.H. Characterization of an ammonium transport system in filamentous fungi with methylammonium-14C as the substrate. J. Biol. Chem., 1970, vol. 245, pp. 4241–4250. doi: 10.1016/S0021-9258(19)63786-5
- Hazenberg M.P., Herder W.W. de, Visser T.J. Hydrolysis of iodothyronine conjugates by intestinal bacteria. FEMS Microbiol. Rev., 1988, vol. 4, pp. 9–16. doi: 10.1111/j.1574-6968.1988.tb02709.x-i1
- Herder W.W. de, Hazenberg M.P., Pennock-Schroder A.M., Hennemann G., Visser T.J. Rapid and bacteria-dependent in vitro hydrolysis of iodothyronine-conjugates by intestinal contents of humans and rats. Med. Biol., 1986, vol. 64, no. 1, pp. 31–35
- Jeffrey M.P., MacPherson C.W., Mathieu O., Tompkins T.A., Green-Johnson J.M. Secretome-mediated interactions with intestinal epithelial cells: a role for secretome components from Lactobacillus rhamnosus R0011 in the attenuation of Salmonella enterica Serovar Typhimurium secretome and TNF--induced proinflammatory responses. J. Immunol., 2020, vol. 204, no. 9, pp. 2523–2534. doi: 10.4049/jimmunol.1901440
- Ji Q., Hashimi S., Liu Z., Zhang J., Chen Y., Huang C.-H. CeRh1 (rhr-1) is a dominant Rhesus gene essential for embryonic development and hypodermal function in Caenorhabditis elegans. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 2006, vol. 103, no. 15, pp. 5881–5886. doi: 0.1073/pnas.0600901103
- Khademi S., O’Connell J., Remis J., Robles-Colmenares Y., Miercke L.J., Stroud R.M. Mechanism of ammonia transport by Amt/MEP/Rh: structure of AmtB at 1.35 Å. Science, 2004, vol. 305, pp. 1587–1594. doi: 10.1126/science.1101952
- Knepper M.A. NH4+ transport in the kidney. Kidney Int. Suppl., 1991, vol. 33, pp. S95–S102.
- Koch M., Wrighta K.E., Ottob O., Herbigb M., Salinasc N.D., Toliac N.H., Satchwelld T.J., Guckb J., Brookse N.J., Bauma J. Plasmodium falciparum erythrocyte-binding antigen 175 triggers a biophysical change in the red blood cell that facilitates invasion. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 2017, vol. 114, no. 16, pp. 4225–4230. doi: 10.1073/pnas.1620843114
- Konturek P.C., Konturek S.J., Sito E., Kwiecien N., Obtulowicz W., Bielanski W., Hahn E.G. Luminal alpha methyl histamine stimulates gastric secretion in duodenal ulcer patients via releasing gastrin. Eur. J. Pharmacol., 2001, vol. 301, pp. 181–192. doi: 10.1016/S0014-2999(01)00720-8
- Lauter F.R., Ninnemann O., Bucher M., Riesmeier J.W., Frommer W.B. Preferential expression of an ammonium transporter and of two putative nitrate transporters in root hairs of tomato. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 1996, vol. 93, pp. 8139–8144. doi: 10.1073/pnas.93.15.8139
- Lesouhaitier O., Clamens T., Rosay T., Desriac F., Louis M., Rodrigues S., Gannesen A., Plakunov V.K., Bouffartigues E., Tahrioui A., Bazire A., Dufour A., Cornelis P., Chevalier S., Feuilloley M.G. Host peptidic hormones affecting bacterial biofilm formation and virulence. J. Innate Immun., 2019, vol. 11, no. 3, pp. 227–241. doi: 10.1159/000493926
- Li R., Li Y., Li C., Zheng D., Chen P. Gut microbiota and endocrine disorder. Adv. Exp. Med. Biol., 2020, vol. 1238, pp. 143–164. doi: 10.1007/978-981-15-2385-4_9
- Merrick M., Javelle A., Durand A., Severi E., Thornton J., Avent N.D., Conroy M.J., Bullough P.A. The Escherichia coli AmtB protein as a model system for understanding ammonium transport by Amt and Rh proteins. Transfus. Clin. Biol., 2006, vol. 13, pp. 97–102. doi: 10.1016/j.tracli.2006.02.015
- Miljkovic M., Marinkovic P., Novovic K., Jovcic B., Terzic-Vidojevic A., Kojic M. AggLr, a novel aggregation factor in Lactococcus raffinolactis BGTRK10-1: its role in surface adhesion. Biofouling, 2018, vol. 34, no. 6, pp. 685–698. doi: 10.1080/08927014.2018.1481956
- Ochola-Oyier L.I., Okombo J., Wagatua N., Ochieng J., Tetteh K.K., Fegan G., Bejon P., Marsh K. Comparison of allele frequencies of Plasmodium falciparum merozoite antigens in malaria infections sampled in different years in a Kenyan population. Malar. J., 2016, vol. 15, no. 1: 261. doi: 10.1186/s12936-016-1304-8
- Oliveira E.P. de, Burini R.C., Jeukendrup A. Gastrointestinal complaints during exercise: Prevalence, etiology, and nutritional recommendations. Sports Med., 2014, vol. 44, pp. 79–85. doi: 10.1007/s40279-014-0153-2
- Olszak T., An D., Zeissig S., Vera M.P., Richter J., Franke A., Glickman J.N., Siebert R., Baron R.M., Kasper D.L., Blumberg R.S. Microbial exposure duringearly life has persistent effects on natural killer T cell function. Science, 2012, vol. 336, pp. 489–493. doi: 10.1126/science.1219328
- Paul A.S., Egan E.S., Duraisingh M.T. Host-parasite interactions that guide red blood cell invasion by malaria parasites. Curr. Opin. Hematol., 2015, vol. 22, no. 3, pp. 220–226. doi: 10.1097/MOH.0000000000000135
- Pavlov I.P. The work of the digestive glands. London: Charles Griffin & Co. Ltd., 1902. 266 p.
- Pelaseyed T., Bergström J.H., Gustafsson J.K., Ermund A., Birchenough G.M., Schütte A., van der Post S., Svensson F., Rodríguez-Piñeiro A.M., Nyström E.E., Wising C., Johansson M.E., Hansson G.C. The mucus and mucins of the goblet cells and enterocytes provide the first defense line of the gastrointestinal tract and interact with the immune system. Immunol. Rev., 2014, vol. 260, pp. 8–20. doi: 10.1111/imr.12182
- Popielski L. -imidiazolylaethylamin und die Organextrakte. Pflug. Arch. Ges. Physiol., 1920, vol. 178, pp. 237–259. doi: 10.1007/BF01722025
- Proctor L.M., Creasy H.H., Fettweis J.M., Lloyd-Price J., Mahurkar A., Zhou W., Buck G.A., Snyder M.P., Strauss J.F., Weinstock G.M., White O., Huttenhower C. The integrative human microbiome project. Nature, 2019, vol. 569, no. 7758, pp. 641–648. doi: 10.1038/s41586-019-1238-8
- Rajagopala S.V., Vashee S., Oldfield L.M., Suzuki Y., Venter J.C., Telenti A., Nelson K.E. The human microbiome and cancer. Cancer Prev. Res. (Phila), 2017, vol. 10, no. 4, pp. 226–234. doi: 10.1158/1940-6207.CAPR-16-0249
- Saier M.H., Eng B.H., Fard S., Garg J., Haggerty D.A., Hutchinson W.J., Jack D.L., Lai E.C., Liu H.J., Nusinew D.P., Omar A.M., Pao S.S., Paulsen I.T., Quan J.A., Sliwinski M., Tseng T.-T., Wachi S., Young G.B. Phylogenetic characterization of novel transport protein families revealed by genome analyses. Biochim. Biophys. Acta, 1999, vol. 1422, iss. 1, pp. 1–56. doi: 10.1016/s0304-4157(98)00023-9
- Sarkodie E.K., Zhou S., Baidoo S.A., Chu W. Influences of stress hormones on microbial infections. Microb. Pathog., 2019, vol. 131, pp. 270–276. doi: 10.1016/j.micpath.2019.04.013
- Shan B., Ai Z., Zeng S., Song Y., Song J., Zeng Q., Liao Z., Wang T., Huang C., Su D. Gut microbiome-derived lactate promotes to anxiety-like behaviors through GPR81 receptor-mediated lipid metabolism pathway. Psychoneuroendocrinology, 2020, vol. 117: 104699. doi: 10.1016/j.psyneuen.2020.104699
- Shen J., Obin M.S., Zhao L. The gut microbiota, obesity and insulin resistance. Mol. Aspects Med., 2013, vol. 34, no. 1, pp. 39–58. doi: 10.1016/j.mam.2012.11.001
- Siciliano R.A., Mazzeo M.F. Molecular mechanisms of probiotic action: a proteomic perspective. Curr. Opin. Microbiol., 2012, vol. 15, pp. 390–396. doi: 10.1016/j.mib.2012.03.006
- Sommer F., Backhed F. The gut microbiota engages different signaling pathways to induce Duox2 expression in the ileum and colon epithelium. Mucosal Immunol., 2015, vol. 8, pp. 372–379. doi: 10.1038/mi.2014.74
- Strausberg R.L., Feingold E.A., Grouse L.H., Derge J.G., Klausner R.D., Collins F.S., Wagner L., Shenmen C.M., Schuler G.D., Altschul S.F., Zeeberg B., Buetow K.H., Schaefer C.F., Bhat N.K., Hopkins R.F., Jordan H., Moore T., Max S.I., Wang J., Hsieh F., Diatchenko L., Marusina K., Farmer A.A., Rubin G.M., Hong L., Stapleton M., Soares M.B., Bonaldo M.F., Casavant T.L., Scheetz T.E., Brownstein M.J., Usdin T.B., Toshiyuki S., Carninci P., Prange C., Raha S.S., Loquellano N.A., Peters G.J., Abramson R.D., Mullahy S.J., Bosak S.A., McEwan P.J., McKernan K.J., Malek J.A., Gunaratne P.H., Richards S., Worley K.C., Hale S., Garcia A.M., Gay L.J., Hulyk S.W., Villalon D.K., Muzny D.M., Sodergren E.J., Lu X., Gibbs R.A., Fahey J., Helton E., Ketteman M., Madan A., Rodrigues S., Sanchez A., Whiting M., Madan A., Young A.C., Shevchenko Y., Bouffard G.G., Blakesley R.W., Touchman J.W., Green E.D., Dickson M.C., Rodriguez A.C., Grimwood J., Schmutz J., Myers R.M., Butterfield Y.S., Krzywinski M.I., Skalska U., Smailus D.E., Schnerch A., Schein J.E., Jones S.J., Marra M.A. Mammalian Gene Collection Program Team. Generation and initial analysis of more than 15,000 full-length human and mouse cDNA sequences. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 2002, vol. 99, no. 26, pp. 16899–16903. doi: 10.1073/pnas.242603899
- Togo A.H., Diop A., Bittar F., Maraninchi M., Valero R., Armstrong N., Dubourg G., Labas N., Richez M., Delerce J., Levasseur A., Fournier P.E., Raoult D., Million M. Description of Mediterraneibactermassiliensis, gen. nov., sp. nov., a new genus isolated from the gut microbiota of an obese patient and reclassification of Ruminococcusfaecis, Ruminococcuslactaris, Ruminococcus torques, Ruminococcusgnavus and Clostridium glycyrrhizinilyticum as Mediterraneibacterfaecis comb. nov., Mediterraneibacterlactaris comb. nov., Mediterraneibacter torques comb. nov., Mediterraneibactergnavus comb. nov. and Mediterraneibacterglycyrrhizinilyticus comb. nov. Antonie Van Leeuwenhoek, 2018, vol. 111, no. 11, pp. 2107–2128. doi: 10.1007/s10482-018-1104-y
- Triboulet H., Coyon A. Le rhumatisme articulaire aigu en bacteriologie. Paris: Librairie J.-B. Bailliere et Fils, 1900. 100 p.
- Wallon C., Yang P.C., Keita A.V., Ericson A.C., McKay D.M., Sherman P.M., Perdue M.H., Söderholm J.D. Corticotropin-releasing hormone (CRH) regulates macromolecular permeability via mast cells in normal human colonic biopsies in vitro. Gut, 2008, vol. 57, no. 1, pp. 50–58. doi: 10.1136/gut.2006.117549
- Wang F., Meng W., Wang B., Qiao L. Helicobacter pylori-induced gastric inflammation and gastric cancer. Cancer Lett., 2014, vol. 345, no. 2, pp. 196–202. doi: 10.1016/j.canlet.2013.08.016
- Wang R.X., Lee J.S., Campbell E.L., Colgan S.P. Microbiota-derived butyrate dynamically regulates intestinal homeostasis through regulation of actin-associated protein synaptopodin. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 2020, vol. 117, no. 21, pp. 11648–11647. doi: 10.1073/pnas.1917597117
- Warren R.J., Marshall B.J. Unidentified curved bacilli in gastric epithelium in active chronic gastritis. Lancet, 1983, vol. 321, no. 8336, pp. 1273–1275. doi: 10.1016/S0140-6736(83)92719-8
- Wells J.M., Rossi O., Meijerink M., van Baarlen P. Epithelial crosstalk at the microbiota–mucosal interface. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 2011, vol. 108, pp. 4607–4614. doi: 10.1073/pnas.1000092107
- Weng Y., Chen T., Ren J., Lu D., Liu X., Lin S., Xu C., Lou J., Chen X., Tang L. The association between extracellular matrix metalloproteinase inducer polymorphisms and coronary heart disease: a potential way to predict disease. DNA Cell Biol., 2020, vol. 39, no. 2, pp. 244–254. doi: 10.1089/dna.2019.5015
- Yin Q., Srivastava K., Gebremedhin A., Makuria A.T., Flegel W.A. Long-range haplotype analysis of the malaria parasite receptor gene ACKR1 in an East-African population. Hum. Genome Var., 2018, vol. 5, pp. 26. doi: 10.1038/s41439-018-0024-8
- Yunck R., Cho H., Bernhardt T.G. Identification of MltG as a potential terminase for peptidoglycan polymerization in bacteria. Mol. Microbiol., 2016, vol. 99, no. 4, pp. 700–718. doi: 10.1111/mmi.13258
- Zoetendal E.G., Raes J., van den Bogert B., Arumugam M., Booijink C.C.G.M., Troost F.J., Bork P., Wels M., de Vos W.M., Kleerebezem M. The human small intestinal microbiota is driven by rapid uptake and conversion of simple carbohydrates. ISME J., 2012, vol. 6, pp.1415–1426. doi: 10.1038/ismej.2011.212
- Zuhl M., Schneider S., Lanphere K., Conn C., Dokladny K., Moseley P. Exercise regulation of intestinal tight junction proteins. Br. J. Sports Med., 2014, vol. 48, no. 12, pp. 980–986. doi: 10.1136/bjsports-2012-091585
Дополнительные файлы
