Внутри кишечника бушует тихая битва между многими бактериями, борющимися за выживание. Новое исследование показывает, как некоторые кишечные бактерии могут приобрести оборонительный арсенал против типа токсического нападения, проводимого соседними микробами.
Исследователи из Вашингтонского университета стремились понять, какие факторы определяют состав и экологию микробных групп, обитающих в организме человека. Состояние микробиома кишечника человека имеет решающее значение для различных аспектов здоровья и заболеваний.
"Диетического и иммунного реагирования недостаточно, чтобы объяснить составные части микробиома кишечника", - сказали ученые проекта. Победители боевых действий между микроорганизмами, пытающимися проживать в кишечнике, могут внести свой вклад в формирование этого микробного сообщества.
Старшими исследователями были Джозеф Мугус, профессор микробиологии Медицинского факультета Вашингтонского университета и исследователь Медицинского института Говарда Хьюза, и Элханан Боренштейн, бывший научный сотрудник по геному в Университете США и ныне профессор Тель-Авива (Израиль). Руководителями проекта были Бенджамин Росс, бывший научный сотрудник кафедры постдокторантуры УВ, в настоящее время преподаватель Дартмутского колледжа, и Эдриан Верстер, бывший научный сотрудник кафедры постдокторантуры УВ, ныне биоинформатик организации Здравоохранение Канады.
У бактерий есть много способов противостояния собственным или другим видам, отмечают эти ученые. Группа доминирующих кишечных бактерий, от класса Bacteroidales, имеют механизм секреции для введения токсичных белков в бактерии, которые находятся слишком близко. В то же время, они защищают себя от ядов своих собственных или родственных клеток, неся в себе специфические факторы иммунитета, которые нейтрализуют токсины.
В ходе настоящего исследования, ученые обнаружили, что несколько видов бактерий, населяющих кишечник человека, приобрели значительные генные кластеры межбактериальной защиты. Они кодируют большие массивы детерминантов иммунитета, которые нейтрализуют прямое попадание токсинов от своих конкурентов. Особенности кластеров позволяют предположить, что они активно формируют новые гены иммунитета при возникновении новых угроз.
Исследователи описали гены, кодирующие токсины, передаваемые между бактериями, и соответствующие им факторы иммунитета в образцах, собранных из человеческих кишек. Они сделали удивительное открытие. Их работа в то время была сосредоточена на конкретном виде кишечника, известном как производители многих секретируемых токсинов, Bacteroides fragilis. Как и предполагалось, гены, обеспечивающие иммунитет к токсинам B. fragilis, были обнаружены во многих образцах в сравнительно таком же количестве, что и признаки присутствия этого вида.
Этот факт позволяет предположить, что эти гены иммунитета закодированы самим B. fragilis. В других образцах, однако, гены иммунитета оказались значительно более многочисленными, чем маркеры B. fragilis. Они были даже обнаружены в некоторых микробиомных образцах без B. fragilis.
"Этот факт убедительно свидетельствует о том, что эти элементы иммунитета против B. fragilis были закодированы другими бактериями в кишечнике", - пояснили ученые. Проведя статистический анализ, исследователи пришли к выводу, что к ним относятся B. ovatus, B. vulgatus, B. Helcogenes и B. Coprocola. Глядя на геномы этих организмов, они обнаружили, что у них есть гены, которые, как ожидается, делают их устойчивыми к токсинам, полученным от B. fragilis. Кроме того, в геноме эти гены иммунитета располагались в крупных кластерах вместе с другими генами иммунитета, которые, по прогнозам, защищают от других токсинов B. fragilis.
Интересно, что эти генные кластеры находятся в хромосомной области и имеют признаки, позволяющие предположить, что они могут перемещаться между организмами независимо друг от друга. Когда исследователи смешали бактерию, которая носила один из кластеров, с родственным организмом, у которого его не было, они узнали, что гены иммунитета могут быть переданы, и что вновь приобретенные гены действительно обеспечивают защиту от токсинов.
Основываясь на своих наблюдениях, ученые полагают, что эти гены иммунитета играют адаптивную роль, поскольку они помогают этим бактериям преодолеть токсические удары со стороны нападавших на них B. fragilis. Они наблюдают этот защитный эффект во время выращивания чашек Петри в лабораториях и при введении бактерий, несущих эти гены, в организм мышей.
Затем исследователи задали вопрос, защищают ли подобные гены иммунитета от других токсинов, вырабатываемых в кишечнике, в дополнение к тем, которые доставляет B. fragilis. Это привело к открытию второго набора кластеров генов иммунитета, которые широко распространены среди видов бактерий в кишечнике. Эти кластеры содержат гены, которые, по оценкам, защищают от различных токсинов, вырабатываемых целым рядом различных видов бактерий, а не только другими бактерицидами. Вторая поразительная особенность этого второго типа кластера генов иммунитета заключается в том, что он демонстрирует признаки недавнего приобретения новых генов.
Ученые пришли к выводу, что получение и поддержание кластеров генов иммунитета является распространенным способом для кишечных бактерий противостоять межбактериальным нападениям и поддерживать существование своего вида или штамма в микробиоме кишечника человека.