Американские ученые собрали образцы бактериальных биопленок с человеческого языка и восстановили структуру микробного сообщества. Оказалось, что оно совсем не похоже на то, что происходит в кишечнике: многие микробы не живут поодиночке, а формируют на поверхности эпителиальных клеток языка консорциумы — сложные структуры из кластеров бактерий разных родов и видов. При этом каждый род бактерий занимает определенную позицию в бактериальных пленках: кто-то стремится к центру, а кто-то — наружу. Вероятно, это связано с особенностями их обмена веществ. Исследование опубликовано в журнале Cell Reports.
В последние годы ученые все больше работ посвящают бактериальным сообществам в теле человека: считается, что заселение тела «здоровыми» микробами может избавить людей от множества заболеваний, например, инфекций и болезней обмена веществ. Тем не менее, до сих пор до конца не понятно, как эти бактериальные сообщества устроены, поскольку добыть их из организма человека нетронутыми практически невозможно.
Стивен Уилберт (Steven Wilbert) из Института Форсайта и его коллеги восстановили структуру сообщества, которое обитает на человеческом языке — одной из самых легко доступных слизистых оболочек. Для этого они попросили 21 добровольца в возрасте от 18 до 70 лет собрать соскоб с собственного языка. После этого пробы тут же фиксировали этанолом — это позволяет бактериальной биопленке не распадаться в жидкости.
Воспользовавшись данными проекта «Микробиом человека», авторы работы выделили 17 наиболее часто встречающихся во рту родов бактерий. Для каждого из них они разработали зонд для гибридизации — специфичную нуклеиновую кислоту с флуоресцентным красителем. Исследователи обрабатывали зафиксированные пробы 17-ю зондами, а дальше пытались восстановить трехмерную картину сообщества.
Авторы работы обнаружили в соскобах три типа бактерий: свободно плавающие, прикрепленные к эпителию и образующие консорциумы — сложные структуры из множества бактериальных слоев. В то время как свободные или связанные с эпителием бактерии принадлежали в основном к одному из трех родов — Rothia, Veillonella или Actinomyces — в составе консорциумов встречались одновременно разные роды. Более того, они были распределены по пленке неравномерно и образовывали скопления с ровным краем — дальнейшее внимание исследователи обращали именно на них.
Они обнаружили, что в центре каждого консорциума лежат эпителиальные клетки, обросшие бактериальными пленками со всех сторон. Такие структуры нашлись во всех образцах. В подавляющем большинстве проб встречались три основных рода бактерий: Actinomyces, Rothia и Streptococcus. При этом первые чаще прилегали к эпителиальному «стержню», вторые, наоборот, чаще встречались во внешних слоях, а третьи образовывали «лучи», пронизывающие всю структуру насквозь.
Представители других групп бактерий встречались у всех доноров, но не в каждом консорциуме. И еще порядка 20 процентов клеток не удалось определить с помощью флуоресцентных зондов — вероятно, они принадлежали к другим таксонам.
Измерив расположение представителей разных родов бактерий внутри консорциума, авторы работы заметили, что некоторые из них чаще встречаются друг с другом, например, Veillonella и некоторые стрептококки. Кроме того, большинство бактерий часто встречаются рядом с бактериями своего же таксона, то есть образуют кластеры. Смоделировав расположение разных таксонов внутри консорциума, исследователи подтвердили свои наблюдения: некоторые роды тяготеют к внутренним слоям, а другие, наоборот, ко внешним. Точно неизвестно, почему они распределяются именно так. Исследователи полагают, что одни виды могут размножаться активнее, вытесняя соседей из ниши, или же, наоборот, что для некоторых групп бактерий выгоднее располагаться во внутренних слоях, где снижена концентрация кислорода.
Авторы работы отмечают, что их метод не позволяет проанализировать динамику микробного сообщества. Тем не менее, даже по статичной картине они смогли кое-что заключить о развитии консорциумов. Они заметили, что толщина бактериальных пленок может быть очень разной в зависимости от пробы и консорциума: где-то она составляет всего 5-10 клеточных слоев, а в других случаях — больше 50. Они предположили, что это соответствует разным стадиям развития сообщества: вначале некоторые клетки закрепляются на эпителии и начинают размножаться, потом образуют кластеры, потом делятся на внешние и внутренние слои, и наконец достигают критической толщины и слущиваются с поверхности эпителия, после чего цикл замыкается.
Таким образом, структура бактериального сообщества на языке оказалась совсем не похожа на то, что наблюдается в кишечнике. Кишечные сообщества гораздо более динамичны, поскольку постоянно смываются с током жидкости, и гораздо сильнее перемешаны: там бактериям не удается образовать устойчивые структуры. Бактериальные пленки на языке оказались более стабильными, а кластеры, которые образуют представители отдельных родов, могут помогать им поддерживать обмен веществ. Следующей задачей должно стать изучение этого сообщества в динамике и научиться воспроизводить его in vitro или внутри организма какого-нибудь модельного животного.
Ранее ученые предположили, что бактерии ответственны за запах кошачьих меток. Кроме того, оказалось, что кишечные микробы умеют заякориваться в клетках стенки кишечника, а ротовые — могут быть замешаны в развитии болезни Альцгеймера.
Полина Лосева
Это облегчило симптомы поражения мышц и нервов
Выращивание дрозофил с дефектом первого комплекса дыхательной цепи в среде с комбинацией 5-аминолевулиновой кислоты, гидрохлорида и железа натрия цитрата (5-ALA-HCl + SFC) увеличивает выработку АТФ за счет повышения активности второго и четвертого дыхательных комплексов. Активность первого комплекса при этом не меняется. Кроме того, у дрозофил снижалось накопление лактата и пирувата, которое происходит при дефекте первого комплекса, что, по-видимому, облегчало симптомы поражения мышц и нервов. Исследование опубликовано в Human Molecular Genetics. В митохондриях происходит окислительное фосфорилирование — многоэтапный процесс, в ходе которого окисляются восстановительные эквиваленты — восстановленные никотинамидадениндинуклеотид (НАДН) и флавинадениндинуклеотид (ФАДН2), — и вырабатывается АТФ. Происходит последовательный перенос электронов по дыхательной цепи — группе дыхательных ферментов в мембране митохондрии. Всего в цепи участвует пять комплексов дыхательных ферментов. Нарушение переноса электронов по дыхательной цепи сопровождается снижением выработки АТФ и вызывает митохондриальные заболевания. Наиболее часто «ломается» первый комплекс — НАДН-КоQ-оксидоредуктаза, или НАДН-дегидрогеназа. Его дефицит поражает органы и ткани с высокими энергетическими потребностями, таких как мозг, сердце, печень и скелетные мышцы. Обычно это проявляется тяжелыми неврологическими синдромами: например, наследственная оптическая нейропатия Лебера, синдром MELAS или синдром MERRF. Хотя первый комплекс отвечает за поступление наибольшего количества электронов в дыхательную цепь, второй комплекс — ФАД-зависимые дегидрогеназы, — работая параллельно с первым, также отвечает за вход электронов в цепь, передавая их, как и первый комплекс на убихинон (коэнзим Q). Потенциально повышение активности второго комплекса могло бы нивелировать снижение активности первого. Поскольку второй, третий и четвертый дыхательные комплексы и цитохром с содержат гемовые структуры, команда ученых под руководством Канаэ Андо (Kanae Ando) из Токийского столичного университета решили проверить, насколько эффективно будет применение предшественника гема 5-аминолевулиновой кислоты для повышения активности этих комплексов и восстановления синтеза АТФ у дрозофил с дефектом первого комплекса. Сначала ученые отключили у дрозофил ген, гомологичный NDUFAF6 и ответственный за экспрессию одного из регуляторных белков первого комплекса. У таких дрозофил мышцы были тоньше, хрупче и иннервировались хуже, чем у насекомых без нокдауна гена. Кроме того, самцы с неработающим геном погибали намного быстрее самок, и у них развивались более грубые нарушения опорно-двигательного аппарата. Затем ученые проанализировали как нокдаун гена первого комплекса влияет на экспрессию и активность других комплексов. Выяснилось, что нокдаун увеличивает экспрессию генов третьего и пятого комплексов, и снижает — четвертого. При этом активность второго и четвертого комплекса значительно повышалась после нокдауна у самок дрозофил. Ученые не обнаружили нарушений в процессах утилизации активных форм кислорода, однако у дрозофил обоих полов без работающего гена первого комплекса накапливался лактат и пируват. Чтобы проверить влияние комплекса 5-аминолевулиновой кислоты, гидрохлорида и железа натрия цитрата (5-ALA-HCl + SFC) на митохондрии дрозофил с нокаутированным геном, их выращивали в среде, содержащей этот комплекс. Такое воздействие значительно повышало уровни АТФ у самцов и самок дрозофил, при этом количество копий митохондриальной ДНК не изменялось, то есть препарат не увеличивал количество митохондрий. Экспрессия и активность дефектного первого комплекса никак не изменились, а активность второго и четвертого комплексов выросли у самцов. В целом, повышенная экспрессия генов третьего комплекса и активность второго и четвертого комплексов смягчали дефектные фенотипы. Помимо этого 5-ALA-HCl + SFC снижало накопление лактата и пирувата у самцов и самок с нокдауном гена первого комплекса, что потенциально смягчает метаболические нарушения, вызванные дефицитом первого комплекса. У самцов и самок мух-дрозофил, которых лечили 5-ALA-HCl + SFC, наблюдалось меньше дефектов опорно-двигательного аппарата, а продолжительность их жизни значительно увеличилась. Ученые рассчитывают проверить эффект такого лечения на животных с более сложным строением, чтобы подтвердить универсальность такого подхода к лечению митохондриальных нарушений. Не всегда нужна мутация, чтобы нарушить работу дыхательной цепи. Недавно мы рассказывали про то, что большое количество натрия из потребляемой соли нарушает дыхательную цепь митохондрий в регуляторных Т-лимфоцитах. Это приводит к активации аутоиммунных процессов.