Картирование бактериальных районов в кишечнике

Отображение бактериальных районов в кишечнике
                Bacteroides fragilis (красный) и эпителиальная поверхность (синий) ободочной кишки мыши. Большинство бактерий находится в центре просвета кишечника, но некоторые из них находятся глубоко в криптах толстой кишки — в виде маленьких пещерных включений в слизистой оболочке кишки. Предоставлено: Грегори Дональдсон

Микроскопические популяции бактерий в нашем кишечнике в чем-то похожи на нас: они живут в сообществах, едят, работают, размножаются и в конечном итоге умирают. Многие из этих видов бактерий живут в гармонии с нашим телом, обеспечивая нам выгоду в обмен на питательные вещества и жилье. Когда правильные виды бактерий не могут установить правильную симбиотическую связь с нашим телом, мы можем подвергаться большему риску различных иммунных, неврологических и метаболических заболеваний.
                                                                                       

Теперь, в сотрудничестве с Широким институтом Массачусетского технологического института и Гарварда, исследователи Caltech обнаружили, что некоторые виды бактерий ведут себя по-разному в зависимости от того, где в кишечнике он проживает. Работа выполнялась на моделях мышей, но картирование географии микробных популяций в кишечнике, которые в совокупности называют кишечным микробиомом, может иметь решающее значение для того, чтобы один день был способен вылечить и изменить неправильный микробиом человека.

Исследование проводилось в основном в лаборатории Саркиса Мазманяна, профессора Института медицинских исследований микробиологии и наследия Нули Соукса. Статья, описывающая исследование, появляется 9 марта в журнале Nature Microbiology.

В течение многих лет лаборатория Mazmanian описывала, как Bacteroides fragilis в кишечнике производит полезные молекулы, которые защищают мышей от воспалительных заболеваний кишечника и аутистических симптомов. Подобно густонаселенному городу, подавляющее большинство B. fragilis в кишечнике живут в центральной части кишечной трубки, называемой просветом. Однако в 2013 году лаборатория Мазмана обнаружила, что некоторые виды B. fragilis находятся в бактериальном эквиваленте небольших городов, расположенных в микроскопических карманах внутри стенок ткани, выстилающих трубку. Эти редкие популяции защищены слизью и практически не подвержены воздействию антибиотиков, что позволяет предположить, что они действуют как резервуары для популяции, обеспечивающие долгосрочную колонизацию.

«Для людей то, где мы живем, может диктовать, как мы себя ведем, например, у человека, живущего в городе, вероятно, другая повседневная жизнь, чем у человека, живущего в небольшой сельской общине», — говорит бывший аспирант Грегори Дональдсон (Ph. .D. ’18), первый автор новой статьи. «Для бактерий, которые мы изучаем, кишечник представляет весь их мир, поэтому мы хотели знать, как они ведут себя по-разному в зависимости от того, насколько далеко они находятся от кишечной поверхности».

Хотя они могут жить в разных местах обитания в кишечнике, все эти популяции B. fragilis имеют одинаковый генетический код. Однако может отличаться то, как они экспрессируют эти гены — например, бактерия, экспрессирующая ген для репликации и деления, или, возможно, для фермента, который переваривает пищу? Дональдсон стремился измерить и сравнить экспрессию генов в этих двух популяциях (ткани кишечной стенки и просвет кишки), чтобы определить, какие различия были обнаружены.

Это создает техническую проблему. Поскольку популяция бактерий, живущих в тканевой подкладке, настолько мала, их генетический материал становится неясным во время секвенирования генетическим материалом клеток мыши, который гораздо более многочислен, чем бактерии. Хотя мыши и бактерии генетически отличаются друг от друга, просеивать мышиную РНК, чтобы найти бактериальную РНК, все равно, что найти иголку в стоге сена.

Здесь решающее сотрудничество с Эшли Эрлом из Института Бродов позволило провести исследование. Эрл и ее команда руководили разработкой новой техники, называемой гибридной селекцией РНК-секвенирования, предназначенной для вылова неуловимых нитей бактериальной РНК, например, с помощью магнита для поиска иголок в стоге сена.

«Вдохновленный предыдущим подходом к определению последовательности небольших популяций паразитов в крови человека, мы разработали методику, которая могла бы увеличить количество бактериальной РНК, которую мы можем обнаружить в этих богатых хозяином образцах на порядки», — говорит Эрл. «Эта техника не только помогла раскрыть новый аспект взаимоотношений бактероидов с хозяином, но теперь предоставляет нам более общий инструмент для прослушивания разговоров между людьми и их редкими обитателями».

Этот метод показал, что B. fragilis, находящиеся в кишечной ткани, удивительно метаболически активны и процветают, несмотря на их более редкую популяцию. Дональдсон и его команда обнаружили, что один конкретный ген в этих бактериях помогает им закрепиться в подкладке тканей. Без этого гена они не могут колонизировать эту среду обитания, что наносит ущерб их долгосрочной колонизации животного.

Напротив, B. fragilis, живущие в просвете, заняты перевариванием пищи и питательных веществ, но, похоже, они больше сосредоточены на выживании, чем на выращивании. Это говорит о том, что эпителиальная поверхность на самом деле является предпочтительной средой обитания для этих бактерий.

Поскольку известно, что B. fragilis в кишечнике обеспечивает полезную защиту для хозяина, эта работа предполагает, что для этих положительных эффектов необходимы пространственно близкие отношения. В конечном счете, понимание того, как бактерии устанавливают место жительства и сохраняются в кишечнике, может привести к новым стратегиям по укреплению здорового человеческого микробиома для профилактики или лечения заболеваний.

«Хотя мы много знаем о том, какие бактерии находятся в организме человека с помощью методов секвенирования ДНК и как членство в сообществе микробов изменяется в результате болезни или других факторов, мы гораздо меньше знаем, что бактерии делают, живя внутри нас», говорит Мазманян. «Впервые эта работа дает нам представление об образе жизни и поведении важных бактерий кишечника человека, в то же время колонизируя мышей. Знание того, что на самом деле делают ключевые кишечные бактерии в кишечнике, может помочь разработать рациональное и надежное лечение из микробиома».

Статья озаглавлена ​​»Пространственно различная физиология Bacteroides fragilis в проксимальном отделе толстой кишки гнотобиотических мышей». В дополнение к Дональдсону, Эрлу и Мазманяну, дополнительными соавторами являются Вэнь-Чи Чоу, Эбигейл Мэнсон, Питер Рогов, Джеймс Бочиккио, Доун Сьюлла, Александр Мельников и Джорджия Джанноукос из Бродского института Массачусетского технологического института и Гарварда; Томас Абил из Института широкого профиля Массачусетского технологического института и Гарвардского и Делфтского технологических университетов; и Питер Эрнст и Хиутунг Чу из Калифорнийского университета в Сан-Диего. Финансирование было предоставлено Национальными институтами здравоохранения, Институтом медицинских исследований наследия и Национальным научным фондом.

Мазманян — член преподавательского состава Института неврологии Тяньцяо и Крисси Чен в Калтехе. Дональдсон в настоящее время является докторантом в университете Рокфеллера. Находясь в Калифорнийском технологическом институте, он получил премию Лоуренса Л. и Одри У. Фергюсона за выдающуюся докторскую диссертацию по биологии, а также докторскую премию Мильтона и Фрэнсиса Клозера за диссертацию по исследованию смежных микробиомов.

Похожие новости

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *