Кто здесь главный?

Джеффри Гордон, бывший гастроэнтеролог, ставший микробиологом и специалистом по кишечной микрофлоре, возглавляет процветающий новый Центр геномных исследований Университета Вашингтона в Сент‑Луисе. Обширное, освещенное полосками солнечного света помещение лаборатории этого Центра располагается над прославлений университетским Центром секвенирования (прочтения ДНК‑букв) генов – одним из главных участников проекта «геном человека”: в его рамках к 2003 году были секвенированы все те 20 или 25 тысяч генов, которые читаются как Homo sapiens.

“Теперь пора взглянуть на человеческий геном шире, – говорит Гордон, – принимая во внимание, что наш организм содержит, по‑видимому, в сотню раз больше микробных генов, чем человеческих”. В 2005 году Гордон и его коллеги из Стэнфордского университета в Калифорнии и Института геномных исследований в Мэриленде вложили средства, выделенные по нескольким многомиллионным грантам (как частными фондами, так и государственными учреждениями), в осуществление своей инициативы “Микробном человеческого кишечника” – проекта, в рамках которого им предстоит выделить, секвенировать и проанализировать всю совокупность микробных генов, задействованных в поддержании здоровья и жизнедеятельности человеческого организма, а иногда и в возникновении неполадок в его работе. Один из аспектов этого огромного проекта состоит в том, чтобы подготовить характеристику генетических способностей кишечной микрофлоры. Другой – в том, чтобы полностью секвенировать геномы сотни самых многочисленных бактерий, обитающих в толстой кишке человека.

Этот проект, посвященный “другому геному человека”, представляет собой лишь один из дюжины с лишним исследовательских проектов, над которыми единовременно работают сотрудники Гордона, и все эти проекты направлены на изучение влияния на здоровье и болезни человека кишечных микроорганизмов, обитающих не только в толстой кишке, но и в других частях человеческого тела. Штат сотрудников его лаборатории состоит из постоянно эволюционирующей группы из двадцати с лишним аспирантов и постдоков, специалистов по широкому кругу дисциплин от экологии бактерий до рентгеноструктурного анализа.

Гордон заинтересовался бактериями толстой кишки еще в семидесятых и восьмидесятых годах, когда работая гастроэнтерологом и изучал гены, управляющие делением клеток, благодаря которому выстилка человеческого кишечника непрерывно обновляется. Эта постоянная замена клеток (старые клетки гибнут, когда им исполняется всего три дня) не только делает выстилку кишечника устойчивой к повреждениям, но и не дает обитающим в толстой кишке бактериям ни проникнуть слишком глубоко, ни достичь слишком высокой численности: подавляющее большинство бактериальных клеток, сидящих на сброшенных клетках эпителия, ежедневно удаляется из организма при дефекации. Гордон осознавал, что все это деление клеток дается дорогой ценой: рождение каждой новой клетки сопряжено с риском какой‑нибудь случайной мутации, которая может отключить механизм торможения деления и привести к образованию раковой опухоли. Гастроэнтерологов ничуть не удивляет, что рак толстой кишки составляет вторую по частоте причину смертей от рака в промышленно развитых странах (уступая только связанному с курением раку легких).

Ранние исследования Гордона были посвящены механизмам включения и выключения различных генов на определенных этапах развития клетки кишечной стенки, по мере того как клетка перемещается из углубления между ворсинками к вершине ворсинки. Он пришел к выводу, что гены при этом строго следуют поступающим откуда‑то инструкциям. Но откуда? Рассуждая в традиционном ключе, Гордон стал бы искать источник подобных биохимических сигналов в тканях и органах, лежащих глубже выстилки кишечника. Вместо этого он заинтересовался возможностью того, что клетки кишечника маршируют по указке бактерий, сидящих на их наружной поверхности.

Гордон учитывал, что внутри толстой кишки в каждый момент времени обитают сотни разновидностей бактерий и других микроорганизмов, а значит, для проверки его теории требовалась некая упрощенная модельная система. Сотрудники лаборатории Гордона научились у Абигайль Сэльерс, микробиолога из Иллинойсского университета, искусству выращивания безмикробных мышей. С помощью таких мышей Гордон мог выяснить, что происходит, когда им по одному возвращают представителей микробиоты мышиного кишечника. Абигайль Сэльерс играла для его лаборатории роль неофициального наставника. Гордон получил от нее культуру клеток В. theta, выделенных из стула здорового человека. Ранее она выяснила, что В. theta растет не только в человеческом, но и в мышином кишечнике. Впоследствии Гордон установил, что эта бактерия играет в микробном сообществе кишечника особую, ведущую роль.

Например, исследования команды Гордона продемонстрировали, что когда мышь не получает своей обычной порции пищи, В. theta начинает жить подаянием. Абигайль Сэльерс уже выяснила, что В. theta переносит такие голодные времена, питаясь особым сахаром (фукозой), выделяемым клетками кишечника. В лаборатории Гордона было показано, что клетки кишечника выдают это угощение только по требованию В. theta. Вначале исследователи продемонстрировали, что клетки кишечника безмикробных мышей перестают выделять фукозу в течение недели после рождения. “Они как бы готовились к приему гостей, которые так и не появились”, – говорит Гордон. Но стоит впрыснуть порцию микробов из рода Bacteroides в глотку взрослой безмикробной мыши, как выделение сахара сразу возобновляется. На следующем этапе исследователи воспользовались тремя разными штаммами мутантных В. theta (которых тоже предоставила им Абигайль Сэльерс), чтобы разобраться, что именно при этом происходит. Одной группе безмикробных мышей они ввели мутантные клетки В. theta не способные прикрепляться непосредственно к клеткам' кишечника. Но клетки кишечника при этом все равно начинали выделять фукозу. Другой группе безмикробных мышей ввели клетки В. theta, не способные усваивать фукозу. И все равно клетки кишечника начинали ее выделять. Поток этой пищи не поступал лишь у третьей группы мышей, которым ввели монокультуру В. theta, не способную вырабатывать определенный белок – в нем исследователи и подозревали биохимический сигнал, означающий просьбу о подаянии Иными словами, клетки кишечника начинали выделять сахар не просто в ответ на соприкосновение с бактериями или в случае недостатка фукозы. Ключом к их реакции был сигнал “покормите меня”, получаемый от В. theta и включающий в мышиных клетках ген, который без подобного сигнала отключается в течение первых нескольких дней жизни. Это открытие было первым из полученных Гордоном убедительных подтверждений его казавшейся некогда странной идеи, что кишечные бактерии могут напрямую управлять деятельностью клеток кишечника.

В девяностых годах, с появлением метода ДНК‑микрочипов, в распоряжении Гордона оказалось новое мощное орудие для исследований в этой области. ДНК‑микрочипы позволяют ученым одновременно проверять на предмет активности тысячи генов. Для этого используются тысячи помеченных флуоресцентными метками отрезков ДНК, расположенных в строго определенном порядке на сетке размером с предметное стекло. В 2002 году в лаборатории Гордона использовали содержащий около 20 тысяч известных генов мыши “мышиный” микрочип и установили, что сотни из этих генов включаются, когда безмикробной мыши впервые вводят порцию В. theta45. Как и ожидал Гордон, среди этих генов было немало задействованных в процессах нормального созревания выстилки кишечника.

Кроме того, введение В. theta включало также мышиные гены, задействованные в синтезе особых транспортных молекул, необходимых клеткам кишечника для поглощения и использования многих питательных веществ, поставляемых им В. theta и родственными видами бактерий. Все это усиливало складывавшееся у Гордона впечатление, что присутствие В. theta играет особенно важную роль в поддержании здоровья кишечника.

Команда Гордона завершила секвенирование всех 4779 генов В. theta, ответственных за синтез белков, в 2003 году – в тот же год, когда в рамках проекта “Геном человека” были секвенированы все гены Homo sapiens. Исследователи выяснили, что более сотни своих генов В. theta использует для добычи непереваренных растительных углеводов, а еще 170 генов служат для расщепления этих углеводов на составляющие, которые может усвоить организм мыши (или человека). Кроме того, оказалось, что В. theta обладает сложным аппаратом, позволяющим отслеживать, какие питательные вещества доступны клетке в каждый момент времени, чтобы подбирать подходящие наборы биохимических инструментов для работы с ними.

Кроме того, секвенирование генома В. theta дало исследователям из лаборатории Гордона возможность получить ДНК‑микрочип с генами этого микроорганизма, в дополнение к “мышиному” микрочипу. Теперь у них появился шанс выслушать обе стороны в биохимическом разговоре хозяина и микроба. В следующем, 2004 году они открыли, что главенствующее положение В. theta проявляется и за пределами кишечника. Исследователям удалось перехватить приказания, отдаваемые В. theta жировым клеткам брюшного отдела мыши48. При этом выяснилось, что В. theta останавливает синтез гормона, подавляющего образование жира, так называемого “индуцируемого голодом жирового фактора” – Fiaf {fasting‑induced adipose factor). Данное открытие во многом объясняло одно сделанное ранее наблюдение. Когда безмикробным мышам вводили в глотка клетки В. theta, у животных немедленно начинал откладываться брюшной жир, и это притом, что они получали на 30 % меньше еды, а интенсивность обмена веществ у них повышалась так, что они сжигали почти на 30 % больше калорий.

За четырнадцать дней жизни с В. theta мыши увеличивали свои запасы жира в среднем на 60 %.

“Мы видим здесь, как В. theta оказывает на своего хозяина гормоноподобное действие, – изумляется Гордон. – Бактерия как бы говорит хозяину: “Оставь это про запас, нам это может еще пригодиться”.

Дальнейшие исследования сложной структуры подобных симбиотических взаимоотношений, проводившиеся командой Гордона, показали, что на ранних этапахжизни организма клетки кишечника и иммунная система начинают выделять вещества, помогающие полезным бактериям, таким как В. theta, закрепляться на своем месте, в то время как другие, потенциально опасные микробы вымываются из толстой кишки49. В. theta, судя по всему, платит за это хозяину тем, что воздерживается от злоупотребления своим положением. Например, эти бактерии не начинают пастись на покрытых сахаром эпителиальных клетках, пока те не оказываются сброшены стенкой кишечника. Кроме того, они не начинают требовать сахара, пока в их распоряжении имеются запасы их обычной непереваренной растительной пищи.

Отсюда Гордон пришел к выводу, что все эти особенности позволяют В. theta придавать своей экосистеме определенную устойчивость. Когда не хватает поступающей извне пищи, бактерии обращаются за помощью к своему хозяину, а в лучшие времена обеспечивают хозяина дополнительными калориями и указанием запасать на черный день хотя бы часть этого подарка судьбы. В самое последнее время Гордон и его команда получили данные, указывающие на то, что представители другой обширной группы кишечных бактерий, отдела Firmicutes, возможно, способны добывать калории и делиться ими еще успешнее, чем бактерии из отдела Bacteroidetes (важнейшим представителем которого является В. theta)50. “Хотя жители переедающих стран могут и не оценить важность этих дополнительных калорий и жира, – говорит Гордон, – я полагаю, что человеческая история знала продолжительные периоды, когда такого рода динамикой и определялась разница между выживанием и смертью от голода”. Неудивительно, что открытия Гордона пробудили интерес к возможности способствовать похудению страдающих ожирением людей путем корректировки работы их кишечной микрофлоры.

Другие сотрудники лаборатории Гордона рассказывают еще об одном интересном результате: что происходит, когда мыши, внутри которой живет монокультура В. theta, впрыскивают клетки метаногенного микроорганизма Methanobrevibacter smithii. В кишечнике такой мыши в итоге оказывается в сто раз больше клеток В. theta, чем было бы без этого впрыскивания. Оказывается, такие метаногены, как М. Smithii, существенно повышают эффективность жизнедеятельности клеток В. theta, питаясь ее отходами – водородом и углекислым газом – и превращая их в метан и воду. В отсутствие метаногенов накопление этих отходов замедляет обмен веществ В. theta и ограничивает способность этих бактерий размножаться51. В практическом плане такое повышение эффективности дает мышам, которым ввели клетки обоих микроорганизмов, дополнительные 15 % жира.

Сотрудница той же лаборатории Рут Ли в свою очередь начала масштабное исследование черт сходства и различий в микрофлоре человека и животных – чтобы лучше разобраться в эволюционных корнях нашего внутреннего государства. Как она отмечает, лишь восемь из пятидесяти пяти известных науке отделов бактерий планеты Земля имеют представителей, поселяющихся в пищеварительном тра^ животных, что заставляет предположить высокую степень избирательности этих взаимоотношений. “Согласно нашей гипотезе, – говорит она, – они сформированы за миллионы лет коэволюции”.

Стоя над ведерком со льдом, которое набито пузырьками с фекалиями зверей из Сент‑Луисского зоопарка (гепарда, льва, слона, кенгуру, гиены), а также образцами навоза, собранными коллегой по ходу собственных исследований у водопоя в Африке, Рут говорит: “Если мы, млекопитающие, действительно коэволюционировали вместе с нашей кишечной микрофлорой, то мы должны найти определенные черты сходства, заставляющие предположить, что некая древняя бактерия в свое время попала в организм некоего древнего предка всех этих видов и начала там свое дело”. Рут уже удалось найти немало общих черт подобного сходства. При этом из восьми отделов бактерий, встречающихся в кишечном тракте у млекопитающих (в том числе у людей), преобладают только три: Bacteroidetes, Firmicutes и Proteobacteria.

Если же сравнивать свойственных разным млекопитающим бактерий на уровне рода (систематической категории на одну ступень выше вида), то обнаруживается масса общих групп. Например, представители рода Bacteroides, такие как В. theta, В. vulgatus и В. distasonis, преобладают у всеядных млекопитающих (таких как мы сами, мыши или свиньи – питающихся как растительной, так и животной пищей). У растительноядных, таких как коровы, овцы или кролики, первое место занимают представители близкородственного рода превотелла (Prevotella ruminicola, P. brevis, P. albensis и др.). Специалист по эволюционной биологии ожидал бы появления именно такого рода различий в результате отделения новых ветвей древних млекопитающих, переходивших к иному образу жизни.

Дата добавления: 2015-07-12