Метаболический ландшафт кишечника самцов мышей определяет различные ниши, определяемые микробной активностью.

Природный метаболизм (2023 г.) Цитировать эту статью

5373 Доступа

41 Альтметрика

Подробности о метриках

Отдельные ниши кишечника млекопитающих населены разнообразной микробиотой, но вклад пространственных изменений в кишечный метаболизм остается неясным. Здесь мы представляем карту продольного метаболома кишечника здоровых колонизированных и стерильных самцов мышей. С помощью этой карты мы выявляем общий сдвиг от аминокислот в тонком кишечнике к органическим кислотам, витаминам и нуклеотидам в толстом кишечнике. Мы сравниваем метаболический ландшафт у колонизированных и свободных от микробов мышей, чтобы разобраться в происхождении многих метаболитов в разных нишах, что в некоторых случаях позволяет нам сделать вывод о лежащих в основе процессах или идентифицировать виды-продуценты. Помимо известного влияния диеты на метаболическую нишу тонкого кишечника, различные пространственные закономерности предполагают специфическое микробное влияние на метаболом в тонком кишечнике. Таким образом, мы представляем карту кишечного метаболизма и выявляем метаболитно-микробные ассоциации, которые дают основу для связи пространственного распространения биоактивных соединений с метаболизмом хозяина или микроорганизма.

Кишечник млекопитающих населен множеством микроорганизмов, которые вместе называются кишечной микробиотой1,2. Микробиота способствует пищеварению и иммунным функциям, а ее нарушение связано с множеством заболеваний3,4. Помимо пищеварительных функций и предотвращения (или возникновения) инфекций, кишечные микроорганизмы также являются источником биологически активных соединений, влияющих на хозяина и другие микроорганизмы3. Тонкий и толстый кишечник физиологически наиболее различны и заселены консервативным составом таксонов4,5. В двенадцатиперстную кишку поступают пищевые питательные вещества, панкреатобилиарный и желудочный секрет. Региональные различия в тканевой проницаемости, абсорбционных транспортных белках, pH, регуляторной передаче сигналов и иммунных реакциях дополнительно различают субрегионы тощей и подвздошной кишки в тонком кишечнике5. Профилирование сообществ на животных моделях продемонстрировало различные составы микробиоты в различных отделах кишечника4,6,7. Помимо этих продольных различий, существуют значительные различия в отношении физиологии и состава микробиоты между содержимым просвета и кишечной слизью8. Последний представляет собой плотный матрикс, особенно в толстой кишке, который состоит из сшитых муциновых гликопротеинов, отделяющих эпителиальные клетки, выстилающие кишечник, от просвета и его микробиоты9. Толстый внешний слой слизи толстой кишки также представляет собой среду обитания и источник питательных веществ для микроорганизмов, специализирующихся на расщеплении муцина8,10. Растущее понимание функционального ландшафта пищеварительного тракта иллюстрируется клостридиями, которые заселяют и разлагают кишечную слизь, некоторыми фирмикутами, которые производят характерные короткоцепочечные жирные кислоты или производные аминокислот в толстой кишке, или специфическими бактериями, продуцирующими витамины, в различных участках кишечника3 ,11,12,13,14,15.

Биогеографические различия в таксономическом составе и метаболической активности не могут быть оценены с использованием образцов фекалий, поскольку они, вероятно, в определенных пределах ограничивают объяснительную силу дистальным отделом толстой кишки4,16. Это особенно справедливо для тонкой кишки, где приток пищи, быстрое время перехода и секреция пищеварительных ферментов и противомикробных препаратов доминируют в кишечных процессах и формируют микробиом6,17,18. Чтобы перейти к причинно-следственной связи, подробная информация о бактериальных популяциях и их метаболических процессах в различных субрегионах кишечника может помочь определить происхождение метаболитов. Большинство компонентов рациона метаболизируются и всасываются в тонком кишечнике, оставляя клетчатку и ксенобиотики, а также небольшую часть потребляемых белков и липидов доступными для микробиоты проксимального отдела толстой кишки17. Таким образом, большая часть микробной активности не проявляется в образцах фекалий, включая многие биологически активные соединения микробного происхождения, которые также присутствуют в тонком кишечнике19. Анализ микробной активности в тонком кишечнике человека требует хирургического вмешательства, очень обширной пероральной интубации или промывания перед эндоскопией. Следовательно, модели животных используются для исследования кишечника в целом20,21. В недавнем примере сообщалось о концентрациях метаболитов по всей длине кишечника у колонизированных мышей, были обнаружены новые конъюгаты желчных кислот, полученные из микробиоты, которые влияют на химию всех органов, устанавливая причинно-следственную связь между микроорганизмами и их воздействием на хозяина7. Учитывая большое количество различных микроорганизмов в различных нишах кишечника и их разнообразную метаболическую активность, эти недавно открытые желчные кислоты являются лишь одним примером, иллюстрирующим огромное пространство взаимодействий хозяин-микроб на основе метаболитов и микроб-микроб, которые ждут своего разрешения.