Stymulatory bakteryjne | Wiadomości z Mirage

Ostatnia dekada zrewolucjonizowała badania nad symbiotycznymi związkami między bakteriami jelitowymi a ich gospodarzami zwierzęcymi, w tym ludźmi, ponieważ odkryto, że te drobnoustroje wpływają na zdrowie i choroby. Jednak pomimo ogromnego postępu, jaki został dokonany, mechanizmy, za pomocą których drobnoustroje żyjące w jelitach wchodzą w interakcję z funkcjami naszego organizmu, nie są dobrze poznane. Niedawno opublikowane badanie przeprowadzone przez naukowców z Instytutu Nauki Weizmanna ujawniło fundamentalny mechanizm regulacyjny oparty na ścisłym związku między bakteriami jelitowymi a produkcją energii przez gospodarza w modelu muszki owocowej. Wyniki te dostarczają ujednoliconego wyjaśnienia różnych mechanicznych skutków bakterii jelitowych, a także wyjaśniają dobrze znany kompromis między przeżyciem a reprodukcją.

Poprzednia praca dla grupy Yoav Swain Departament Nauk Biomolekularnych donosi o zaskakującym związku między bakteriami jelitowymi a oogenezą – produkcją lub rozwojem jaj (komórek jajowych) – w jajnikach. W bieżącym badaniu – prowadzonym przez dr Julię Gninsky we współpracy z dr Sergeyem Malitsky i dr Maximem Aitkinem z Departamentu Podstawowych Instalacji dla Nauk Przyrodniczych – naukowcy starali się dokładnie zrozumieć, w jaki sposób bakterie jelitowe wywierają daleko idący wpływ na układ rozrodczy. Rekrutując Drosophila do ich przyczyny, odkryli, że w tym efekcie pośredniczą czynniki pochodzenia bakteryjnego, które regulują zarówno produkcję energii w organizmie gospodarza, jak i wydatkowanie energii na różne funkcje gospodarza. Obejmuje to regulację rozwoju i funkcji układu rozrodczego poprzez krążenie w mitochondriach metabolitów bakterii niezbędnych do oddychania komórkowego.

Profesor Yoav Swain: „Odkryliśmy fundamentalny mechanizm bakteryjnej regulacji aktywności mitochondriów w organizmie gospodarza”.

Mitochondria, ogólnie określane jako „centrum mocy” komórki, są organellami eukariotycznymi, które pośredniczą w procesie oddychania komórkowego. Często spotykane w setkach, a nawet tysiącach kopii w większości komórek ciała, mitochondria są naszym głównym źródłem produkcji ATP – podstawowej waluty energetycznej wszystkich żywych istot. Produkcja ATP w mitochondriach zależy od kluczowych koenzymów, takich jak FAD. Koenzymy są zwykle wytwarzane z witamin, które działają jako cząsteczki prekursorowe. Na przykład prekursorem biosyntezy FAD jest witamina B2 (ryboflawina). Jednak, podobnie jak ludzie i inne zwierzęta, mucha nie może samodzielnie wytwarzać witamin z grupy B, więc dostarczanie witamin, takich jak ryboflawina, musi być „zlecone” – do diety lub mikroflory jelitowej (lub obu). Witaminy z grupy B i inne produkty przemiany materii bakterii jelitowych są wchłaniane w jelicie, a następnie rozprowadzane w wielu miejscach w organizmie.

Chociaż można oczekiwać, że znaczenie witamin bakteryjnych wzrośnie, gdy gospodarz jest niedożywiony, naukowcy postawili hipotezę, że dostarczanie przez bakterie witamin z grupy B może regulować funkcję mitochondriów w komórkach gospodarza również w szeregu standardowych warunków żywieniowych. Aby przetestować swoją hipotezę, usunęli wszystkie bakterie jelitowe z samic muszek owocówek — pozostawiając je wolne od zarazków — i zaobserwowali niedobór FAD, co skutkowało zmniejszoną aktywnością mitochondriów, zmniejszoną produkcją ATP i niewielką utratą masy ciała. Zaobserwowano znaczne osłabienie aktywności mitochondrialnej w jajnikach, szczególnie w komórkach pęcherzyka rozwijającego się oocytu. Aby ustalić, czy tłumiona oogeneza była spowodowana osłabieniem aktywności mitochondrialnej w jajniku, naukowcy stłumili ekspresję niektórych genów mitochondrialnych w komórkach pęcherzyka jajnikowego, tym razem bez eliminowania mikroflory jelitowej. Odkryli, że zakłócenie mitochondrialnej funkcji tych komórek wystarczyło, aby znacząco utrudnić tworzenie jaj. W rzeczywistości efekt ten był podobny do obserwowanego u much wolnych od zarazków. Co więcej, rekolonizacja pozbawionych zarazków samic muchy bakteriami jelitowymi (lub alternatywnie uzupełnienie ich diety ryboflawiną), przywróciła funkcję mitochondriów w komórkach pęcherzyka, podniosła poziom ATP w jajnikach i całym ciele oraz zwiększyła produkcję oocytów. Związek przyczynowy między metabolizmem bakterii jelitowych a wytwarzaniem energii przez gospodarza został dodatkowo poparty pomiarami poziomu ATP i całkowitej masy samców muszek.

Oś regulacji bakteryjnej i mitochondrialnej można prawdopodobnie znaleźć u różnych gatunków zwierząt

„W naszych wysiłkach zmierzających do wyjaśnienia „odległego” wpływu bakterii jelitowych na układ rozrodczy odkryliśmy zasadniczy mechanizm bakteryjnej regulacji aktywności mitochondriów w organizmie gospodarza” – wyjaśnia profesor Swain. „Jak wielokrotnie zauważono, względna prostota modelu Drosophila sprawia, że ​​jest on szczególnie skuteczny w odkrywaniu elementarnych procesów charakteryzujących wszystkie żywe istoty, w tym człowieka. Ponieważ podstawowe mechanizmy wytwarzania energii są wysoce ewolucyjnie zachowane, oczekujemy, że oś regulacji będą również bakteryjne i mitochondrialne do zastosowania w wielu innych gatunkach”.

Wyniki tego badania dostarczają również mechanistycznego wyjaśnienia dobrze znanego kompromisu między przeżyciem a reprodukcją. Różne stresujące warunki (w tym niedożywienie) wymagają niewielkich nakładów na energochłonny proces rozrodczy, aby umożliwić organizmowi radzenie sobie ze stresorami. Związek przyczynowy między niedoborem witamin typu B (i ich pochodnych koenzymów) a dominującym tłumieniem aktywności mitochondriów w jajniku przedkłada wydatek energetyczny na procesy zapewniające przeżycie reprodukcyjne. „Chociaż wykazaliśmy jedynie mechanistyczną realokację energii u much wolnych od zarazków, spodziewamy się, że będzie ona stosowana w szerokim zakresie scenariuszy” – mówi dr Gnainsky.

Podsumowując, odkrycia te ujawniają ważną oś oddziaływania mitochondriów drobnoustrojów, która łączy bakterie jelitowe z ogólnoustrojową regulacją energii i reprodukcji gospodarza. Fakt, że mitochondria są genetycznie odrębnymi organellami, które, jak się uważa, pochodzą od pradawnych bakterii, stanowi intrygujący obraz współpracy między bakteriami jelitowymi a ich „prymitywnymi matkami” – mitochondriami.