Хранене, чревна флора и липиден метаболизъм в черния дроб - мулти-омическият подход дава възможност за нови
Мулти-омическият подход позволява нова представа за микробиома и липидния синтез на бозайници
Природата произвежда огромно разнообразие от липидни молекули, които се синтезират по различни метаболитни пътища. Мастните киселини са градивните елементи на различни липиди, включително липиди на клетъчните мембрани като фосфолипидите и триацилглицеридите, които са основните компоненти на липидните капчици. Излишъкът от липиди и нарушенията на липидния метаболизъм са свързани със заболявания като метаболитния синдром.
Фиг. 1 Ендогенен пул от мастни киселини: Мастните киселини (FA) се получават или чрез ендогенен синтез, или от храна. Чревната флора е от решаващо значение за образуването на късоверижни мастни киселини. Тези мастни киселини могат допълнително да се метаболизират до сложни липиди, включително фосфолипиди (PL) и триацилглицериди (TAG).
Тялото получава липиди или от екзогенни източници (т.е. храна), или от ендогенна биосинтеза (фиг. 1). Многобройни клетъчни процеси, като клетъчен растеж и диференциация, изискват de novo синтеза на мастни киселини, главно защото трябва да се образуват клетъчни мембрани [1]. Ензимът мастна киселина синтаза катализира образуването на палмитат (С 16: 0) от ацетат. Палмитатът е една от основните наситени мастни киселини, открити в клетките, тъканите и плазмата на бозайниците. Той може допълнително да се метаболизира от елонгази и десатурази, за да образува по-дълговерижни и мононенаситени мастни киселини. Решаващ орган в липидната хомеостаза е черният дроб, който играе решаваща роля при много метаболитни заболявания, особено диабет тип 2.
Липидомика за изследване на метаболизма на мазнините
Най-важният метод за липиден анализ е масспектрометрията. Тъй като в наши дни липидомичните подходи могат да обхванат почти целия липидом, в тази област се появи истински шум, тъй като се откриват нови начини за изучаване на липидната биология за многобройни научни области. Въпреки това се виждат все повече изследвания с липидомични данни с ниско качество. Причините за това са разнообразни и включват аналитични, биоинформативни и свързани с квалификацията причини. Например, често липсват адекватни контроли за обработка и обработка на проби, с които се проверява стабилността на аналитите. По същия начин липидите често се анотират неправилно и не се използват подходящи вътрешни стандарти, които са от съществено значение за правилното количествено определяне и идентификация [2]. За да се получи представа за синтеза, метаболизма и потока на липидите, сега е най-съвременното ниво да се използват маркери, маркирани със стабилни изотопи в комбинация със силен масспектрометричен анализ [3].
Изследване на микробиоми
В червата на бозайниците живеят много сложни микробни съобщества. Те се наричат чревна флора или микробиом, ако са включени техните геноми и условия на околната среда. Предишни изследвания показват, че чревната флора допринася за обработката на храната и изпълнява важни имунни и метаболитни функции за гостоприемника. Подобно на липидомиката, изследванията на микробиомите в момента са много актуална тема в науката, която дори ежедневни вестници и радио медии заемат [4]. Това допринесе за заблуждаващи концепции в тази област, главно базирани на проучвания за асоцииране [5].
Чревна флора и липиден метаболизъм на гостоприемника
Оживяването около липидомиката и микробиомните изследвания доведе до голям брой публикации с различно научно качество. По-специално през последните години обаче няколко проучвания демонстрират значението на чревната флора и липидите за основните биологични процеси, физиологията и патофизиологията.
Фиг. 2 Чревната флора насърчава синтеза на мастни киселини в черния дроб: полизахаридите от фибри се разграждат от чревната флора и ферментират до ацетат вътре в червата. Ацетатът се използва за синтеза на по-дълговерижни мастни киселини и фосфолипиди, след като достига до черния дроб през порталната вена [6].
Наскоро открихме взаимодействие между храненето, чревната флора и липидния метаболизъм на организма гостоприемник [6]. Мулти-омичните анализи показват, че мишките с чревна флора имат значително по-високи концентрации на мононенаситени мастни киселини и експресия на транскрипти и протеини, важни за де ново синтеза на липиди, отколкото мишки без чревна флора. Мононенаситените мастни киселини са крайният продукт на образуването на ендогенни мастни киселини. Използвайки стратегии за диетична интервенция и механистични изследвания, включително прилагането на стабилни изотопи в комбинация с масспектрометрия, ние показахме, че липидният синтез в черния дроб до голяма степен зависи от чревната флора. Кратковерижните ацетати на мастните киселини, които идват от микробното разграждане на диетични полизахариди (т.е. влакна) от видове от племето Bacteroidetes, се използват от гостоприемника като предшественик за синтеза на по-дълговерижни мастни киселини и фосфолипиди в черния дроб (фиг. 2).
Фиг. 3 Стабилно изотопно маркиране на синтеза на чернодробна мастна киселина de novo: След като мишките са получили 13 С ацетат чрез орален сондаж (n = 3/група), палмитатът на чернодробните проби се определя чрез газова хроматография с масспектрометрично свързване (GC-MS) 13 Разследвано C-обогатяване. Палмитатът може да бъде синтезиран както от белязани, така и от немаркирани (т.е. естествени) ацетатни мономери. Немаркираните мономери (сиви) не съдържат 13 C изотопи, а маркираните (тъмнозелени) изотопи 13C. След четиричасово етикетиране беше установено значително натрупване на 13 С в палмитата. Повишената фракционна поява на M2-M6 изотополози с 13 С показва, че ацетатът от чревния лумен е предшественик на липидния синтез в черния дроб.
За да се докаже, че черният дроб използва ацетата от вътрешността на червата за синтеза на ново съдържание на мастни киселини, мишки със стабилен изотопно белязан (13 С) ацетат се прилагат чрез орален сондаж. Последващ масспектрометричен анализ потвърждава натрупването на 13 С в палмитата от черния дроб и плазмените проби (фиг. 3). За да се провери дали синтезът на липиди в черния дроб може да се проследи обратно до производителите на микробен ацетат в червата и диетичните фибри, Bacteroidetes са модулирани с помощта на антибиотици. В допълнение, мишките са хранени със специални диети с неразградими и ферментиращи влакна или с различно съдържание на фибри.
Взети заедно, нашата работа показа нов липиден поток и път на синтез по оста хранене-чревна флора-гостоприемник.
Заключение и перспективи
За да се поставят изследователските области на надеждна основа, експертите трябва да работят заедно през границите, за да определят стандарти за надеждно изследване на микробиоми и липиден анализ. Освен това учените трябва да мислят нестандартно и да оценяват критично резултатите си преди публикуването, за да стимулират научния напредък в съответните области. Нашето откритие на чревен микробиом, който влияе върху синтеза на липиди в черния дроб, може да проправи пътя за профилактика и лечение на метаболитни заболявания чрез специално модифицирана диета и чревна флора.
Денят на благодарността
Изследванията на Йозеф Екер се подкрепят от Германската изследователска фондация (DFG) [EC453/1-1; Приоритетна програма (SPP) 1656, EC453/2-1; Център за съвместни изследвания - номер на проект 395357507 - SFB 1371] и "ZIEL - Институт за храни и здраве"/Технически университет в Мюнхен (TUM).