Все из-за микробов. Ученые объяснили причину диабета

МОСКВА, 18 окт — РИА Новости, Владислав Стрекопытов. Американские биологи выяснили: за работу клеток, которые синтезируют инсулин, отвечает белок, производимый кишечными бактериями. Его недостаток может привести к диабету. О том, какие новые функции микрофлоры недавно открыли ученые, — в материале РИА Новости.

Царство микрофлоры

Роль микробиома кишечника настолько важна, что его даже предлагали признать самостоятельным органом. Однако с точки зрения биологии это сообщество микроорганизмов, существующих в тесном симбиозе с человеком.

По оценкам ученых, кишечник содержит около 50 триллионов микроорганизмов — примерно в 1,3 раза больше, чем суммарное количество клеток тела. Основная часть кишечной микрофлоры — бактерии. Есть и представители других таксонов, например дрожжи или грибы, но их роль очень мала.

Бактерии выполняют важнейшие задачи: помогают расщеплять продукты, которые иначе не усваиваются организмом, участвуют в синтезе витаминов и аминокислот, борются с болезнетворными патогенами и ядами. Кроме того, в процессе жизнедеятельности они выделяют специальную слизь, защищающую стенки кишечника от повреждений. Многие биохимические процессы без бактерий невозможны, а нарушение баланса микрофлоры приводит к неприятным последствиям — от проблем с обменом веществ до психических заболеваний.

Внутренние помощники

Обитатели кишечника в совокупности экспрессируют на порядок больше генов, чем весь геном человека. Кодируемые бактериями белки и ферменты участвуют во многих процессах, в одних случаях нормализуя их, в других — вызывая нежелательные побочные эффекты. Биологи только недавно приступили к изучению этого аспекта активности микробиома.

В первую очередь ученых интересует роль бактерий в реакциях биотрансформации, которую проходят в организме лекарственные препараты. Во время этого процесса образуются промежуточные продукты, чья активность или токсичность зависит от состояния микрофлоры.

"Есть исследования, показывающие, что здоровье микробиома во многом определяет выживаемость онкологических больных. Кишечные бактерии повышают эффективность химиотерапии и улучшают общее состояние пациентов, помогая справиться с симптомами болезни и побочными эффектами лечения", — отмечает исполнительный директор АНО НИЦ "Здоровое питание" кандидат медицинских наук Светлана Павличенко.

Тренер для иммунной системы

Особенно велика роль микробиома в поддержании иммунитета. Преодолевая кишечный барьер, бактерии попадают в кровь и действуют как естественная вакцина: нормально работающая иммунная система запоминает каждый новый патоген и формирует против него специфические антитела на будущее.

Но не всегда контакты кишечных бактерий с "силами обороны" организма заканчиваются благополучно. Если иммунная защита недостаточна, развиваются воспаления, заболевания печени, желудочно-кишечного тракта и нервной системы, ожирение и рак. А если избыточна — возникает риск аутоиммунных реакций.

Для оценки общей активации иммунных клеток за пределами желудочно-кишечного тракта, вызванной проникновением кишечных бактерий, американские ученые предложили использовать уровень иммуноглобулинов G (IgG). Они составляют около 75 процентов всех антител в плазме крови и активно реагируют на бактериальное заражение.

Применив метод высокопроизводительного секвенирования в сочетании с определением IgG, авторы установили перечень кишечных бактерий, на которые прежде всего нацелена иммунная система здоровых людей. Среди них — бифидобактерии, нормализующие пищеварение, семейства Lachnospiraceae и Ruminococcaceae, расщепляющие пищевые волокна, а также некоторые другие представители полезной микрофлоры.

Оружие против диабета

Для регулирования уровня сахара в крови организму необходим инсулин. Этот гормон влияет на обмен веществ практически во всех тканях, а вырабатывают его только бета-клетки поджелудочной железы. При снижении их количества или истощении нарушается секреция инсулина, а это приводит к сахарному диабету.

В раннем возрасте есть короткий период, когда бета-клетки активно размножаются. У большинства людей этот процесс протекает нормально, но у некоторых иммунная система вдруг начинает атаковать формирующуюся клеточную популяцию, нарушая ее способность производить инсулин в должном объеме. В этом случае у детей развивается диабет первого типа.

© Инфографика

Инсулин необходим, чтобы обеспечить доступ глюкозы в клетки, где она перерабатывается для получения энергии. Без инсулина глюкоза накапливается в крови, а клетки остаются без энергии

Американские ученые под руководством Дженнифер Хилл из Института молекулярной биологии Орегонского университета определили, что рост популяции бета-клеток происходит одновременно с диверсификацией микробных сообществ в кишечнике, а у людей с диабетом первого типа, как правило, более бедный кишечный микробиом. Вывод достаточно очевидный — учитывая роль микробиома в "обучении" иммунной системы и предотвращении аутоиммунных реакций. Однако при детальном рассмотрении оказалось, что связь между микробиомом и бета-клетками намного глубже.

В лабораторных экспериментах авторы выяснили, что у рыбок данио, лишенных кишечной микрофлоры, поджелудочная железа содержит значительно меньше бета-клеток. Их репликацию, как установили исследователи, запускает на ранних стадиях развития вырабатываемый бактериями белок BefA. Опыты на мышах дали аналогичные результаты. Возможно, и у детей с диабетом первого типа в кишечнике не хватает бактерий, производящих BefA, предположили ученые.

В недавней работе Хилл и ее коллеги детально изучили структуру белка и описали его свойства. Оказалось, что BefA обладает способностью разрушать мембраны многих видов клеток. Но, что удивительно, атака BefA заставляет бета-клетки активно реплицировать — это тоже стало открытием.

"В биологии есть и другие примеры, когда нарушения в мембранах имеют решающее значение для стимуляции развития, — приводятся в пресс-релизе Орегонского университета слова Дженнифер Хилл. — Но в данном случае мы пока точно не знаем, каким образом повреждение вызывает здесь репликацию клеток. Мы думаем, что в бета-клетках есть какая-то особенная сенсибилизация, позволяющая реагировать на сигналы, связанные с проницаемостью мембран".

© Jae Hoon Shin et al. / Cell Metabolism, 2022

Белок BefA, вырабатываемый кишечными бактериями, поступает в поджелудочную железу и запускает репликацию бета-клеток, продуцирующих инсулин

Ученые протестировали мутированную версию BefA, не способную воздействовать на клеточные мембраны. Она не влияла на производство бета-клеток, что еще раз указывает на то, что активная репликация связана именно с повреждением мембран.

Авторы подчеркивает важнейшую роль здорового микробиома в создании в самом раннем детстве популяции клеток, которые потом будут вырабатывать инсулин на протяжении всей жизни. Основным причинами нарушений микрофлоры они называют чрезмерное использование антибиотиков и искусственных смесей для вскармливания.

Исследователи надеются, что их открытие поможет создать обогащенный белком BefA препарат, который будет предотвращать у детей развитие диабета первого типа.