Бактероиды тетайотаомикрон | |
---|---|
Научная классификация | |
Домен: | Бактерии |
Тип: | Бактероидота |
Сорт: | Бактероидии |
Заказ: | Бактероиды |
Семья: | Бактероидные |
Род: | Бактероиды |
Разновидность: | Б. тетайотаомикрон |
Биномиальное имя | |
Бактероиды тетайотаомикрон (Дистазо 1912) Кастеллани и Чалмерс 1919 |
Bacteroides thetaiotaomicron — грамотрицательная, облигатно анаэробная бактерия и важный член микробиоты кишечника человека, особенно толстого кишечника. B. thetaiotaomicron принадлежит к роду Bacteroides — группе, известной своей ролью в сложном микробном сообществе микробиоты кишечника . Его протеом , состоящий из 4779 членов, включает систему получения и расщепления пищевых полисахаридов , которые в противном случае было бы трудно переварить человеческому организму. [1]
Бактерия кодирует ферменты, такие как гликозидгидролазы и полисахаридлиазы, что позволяет ей расщеплять пищевые волокна, такие как целлюлоза и гемицеллюлоза, на ферментируемые субстраты. Эта метаболическая активность генерирует короткоцепочечные жирные кислоты (SCFA), такие как ацетат и пропионат, которые поглощаются хозяином и обеспечивают критически важные источники энергии для клеток толстой кишки. [2]
B. thetaiotaomicron является условно-патогенным микроорганизмом и может стать вирулентным у лиц с ослабленным иммунитетом . B. thetaiotaomicron ассоциируется с другими комменсальными бактериями и индукцией регуляторных Т-клеток , которые необходимы для поддержания иммунной толерантности и предотвращения чрезмерной воспалительной реакции в слизистой оболочке кишечника. [3] Благодаря своей адаптивности и взаимодействию с иммунной и метаболической системами хозяина, B. thetaiotaomicron служит модельным организмом для изучения симбиоза , микробной экологии и взаимодействий кишечника и хозяина.
Bacteroides thetaiotaomicron был впервые описан в 1912 году под названием Bacillus thetaiotaomicron и перенесен в род Bacteroides в 1919 году. [4] Видовое название происходит от греческих букв theta , iota и omicron ; в Списке названий прокариот, имеющих место в номенклатуре, это указано как «относящееся к морфологии вакуолизированных форм». [4] Название используется в качестве примера «произвольного» названия вида в Международном кодексе номенклатуры прокариот . [5] [6] Бактериальный тип Bacteroidota , отличающийся своей уникальной подвижностью, присутствует в широком диапазоне экосистем, мест обитания, образов жизни и физиологических состояний. [7] Род Bacteroides представляет собой наиболее известные бактерии в кишечнике людей, особенно в западных цивилизациях. Хотя он в изобилии встречается у людей, точное распределение варьируется между отдельными людьми и может зависеть от генома хозяина, диеты и других факторов. [8]
Bacteroides thetaiotaomicron — это распространенная бактерия в микробиоме кишечника человека , которая развивалась вместе с людьми для поддержки пищеварения и общего здоровья. Со временем эта бактерия развила способность расщеплять сложные углеводы на простые сахара, что помогает виду-хозяину получать больше энергии из потребляемой пищи. B. thetaiotaomicron имеет ряд специализированных ферментов , которые позволяют ей перерабатывать различные растительные волокна и другие пищевые компоненты, обнаруженные в кишечнике человека. Благодаря этим адаптациям она стала неотъемлемой частью экосистемы кишечника, принося пользу как себе, так и хозяину, играя большую роль в поддержании сбалансированного микробиома. [1]
Эволюция B. thetaiotaomicron , по-видимому, была сформирована изменением рациона питания и иммунной системы ее человеческих хозяев, что повлияло на генетические и функциональные особенности бактерии. Например, у нее есть гены, которые помогают ей обнаруживать и реагировать на различные питательные вещества, что делает ее более устойчивой к изменениям в рационе. Bacteroides thetaiotaomicron предпочитает питательные вещества в разные периоды жизни хозяина, особенно до и после периода отлучения младенца от груди. В период сосания предпочтительны олигосахариды, содержащиеся в материнском молоке, и другие углеводы хозяина. После периода отлучения от груди она предпочитает полисахариды растительного происхождения, такие как те, которые содержатся в рационе. [9] Она также играет роль в регуляции иммунной системы хозяина, уменьшая воспаление и способствуя стабильной среде кишечника. Эта связь отражает сложную коэволюцию, в которой выигрывают и человек-хозяин, и B. thetaiotaomicron , показывая, насколько взаимосвязанными стали микробиом кишечника и здоровье человека. [10] [11]
Эволюция сотрудничества в микробиоте кишечника, особенно с участием Bacteroides thetaiotaomicron , подчеркивает, как микробы кишечника адаптируются к сосуществованию и даже взаимодействию друг с другом и со своими хозяевами. Это сотрудничество позволяет B. thetaiotaomicron получать доступ к питательным веществам и выживать в сложной, конкурентной среде кишечника. Со временем эволюционное давление сформировало метаболические пути и механизмы коммуникации этой бактерии, что позволило ей процветать в симбиозе со своим хозяином, улучшая как выживаемость микробов, так и здоровье хозяина посредством мутуалистических взаимодействий. [12]
Bacteroides thetaiotaomicron был выделен от людей, крупного рогатого скота, свиней, коз и мышей. [13] [14] Штамм Bacteroides thetaiotaomicron GA17 особенно связан с людьми. [15]
Геном B. thetaiotaomicron был секвенирован в 2003 году. Это одна кольцевая хромосома двухцепочечной ДНК. Ее длина составляет 6,26 мегабаз , но она имеет относительно небольшое количество отдельных генов . Это связано с генами, кодирующими белки, которые необычно велики по сравнению с другими прокариотами . [16] Эта геномная особенность свойственна и другому представителю рода, Bacteroides fragilis . [17] Обширное количество 16S рРНК, подсчитанное Проектом микробиома человека (HMP), показало, что геном содержит гены, связанные с расщеплением полисахаридов , включая гликозидгидролазы (GH) и полисахаридлиазы (PL), а также белки, связывающие крахмал . [16] [17] [18]
B. thetaiotaomicron имеет систему утилизации крахмала (Sus), которая позволяет бактериям связывать сложные полисахариды с поверхностью клетки, а ферменты внешней мембраны расщепляют их на простые сахара. Полисахариды, которые перевариваются B. thetaiotaomicron или через Sus, преобразуются в моносахариды, которые затем могут быть поглощены клетками человека для метаболизма. [19] [16] Использование Sus позволяет этой бактерии регулировать экспрессию сложных полисахаридов, что дает преимущество перед другими бактериями, которые не способны регулировать свою среду. [16]
Эти гены вместе с сигма-факторами типа ECF позволяют B. thetaiotaomicron соотносить доступность питательных веществ с экспрессией определенных генов. [16] Геном также содержит множество генов, которые кодируют белки, участвующие в распознавании и реагировании на внеклеточную среду, такие как сигма-факторы и двухкомпонентные системы . [16] [20] [21] Колокализация гена, кодирующего пищеварительные ферменты, с сигма-факторами внецитоплазматической функции и системами передачи сигнала создает механизм, который регулирует экспрессию генов на основе доступности питательных веществ в окружающей среде. [ 16] Геном B. thetaiotaomicron кодирует большое количество малых некодирующих РНК , которые также играют ключевую роль в регуляторных процессах, хотя на сегодняшний день охарактеризовано лишь несколько из них. [22] B. thetaiotaomicron имеет несколько различных типов мобильных генетических элементов, включая плазмиду в 33 килобазы, 63 транспозазы и четыре гомолога конъюгативного транспозона CTnDOT. CTnDOT кодирует устойчивость к антибиотикам эритромицину и тетрациклину и горизонтально передается между видами Bacteroides , а также другой кишечной микробиотой. [16]
Bacteroides thetaiotaomicron способен метаболизировать очень широкий спектр в противном случае неперевариваемых полисахаридов , таких как амилоза , амилопектин и пуллулан . [20] Его набор ферментов, используемых для гидролиза гликозидных связей , является одним из крупнейших известных у прокариот , и даже считается, что он способен гидролизовать почти все гликозидные связи в биологических полисахаридах. Как основной организм кишечной флоры человека, расщепляющий растительные полисахариды, он может использовать пищевые углеводы , а также те, которые получены от хозяина , в зависимости от доступности питательных веществ. [23] Сложные растительные полисахариды, в отличие от простых моносахаридов и дисахаридов , которые перевариваются и всасываются в тонком кишечнике, остаются для использования в качестве источника пищи в толстой кишке. [19] Сложные полисахариды ферментируются в толстой кишке с образованием короткоцепочечных жирных кислот (SCFA), таких как ацетат и пропионат. Эти короткоцепочечные жирные кислоты служат источниками энергии для колоноцитов и обладают противовоспалительными свойствами [2]. B. thetaiotaomicron также использует гликолиз, путь Эмбдена-Мейерхофа-Парнаса (ЭМП) и ферментацию для метаболизма сахаров. [24]
B. thetaiotaomicron способен доминировать над многими другими кишечными бактериями в толстой кишке человека, используя свою превосходную способность усваивать достаточное количество питательных веществ. [19] Это возможно благодаря комбинированному воздействию увеличенного количества гликозилгидролаз , которые расщепляют ферменты, мембраносвязывающие белки и сахароспецифичные транспортеры. [19] Существует 172 гликозилгидролазы, продуцируемых B. thetaiotaomicron , что больше, чем у любой другой секвенированной бактерии, что обеспечивает ферменты, которые вносят продукты гидролиза в хозяина. [19] Все Bacteriodes используют локусы утилизации полисахаридов (PUL), кластеры генов которых кодируют системы, которые нацеливаются на углеводы и расщепляют их. [25] Частью этих систем являются углевод-активные ферменты (CAZymes), которые могут очень эффективно расщеплять сложные углеводы, содержащиеся в рационе. Было идентифицировано три различных PUL, которые используют RG-II, диетический углевод с наибольшей структурной сложностью, в качестве субстрата. Деградом RG-II содержит 23 фермента, которые нацелены на последовательные гликозидные связи в RG-II, что приводит к его разборке. [25]
B. thetaiotaomicron аэротолерантен и может выживать, но не расти, при воздействии кислорода . Кислород имеет ограниченный доступ в эукариотических средах-хозяевах, таких как кишечник человека. Может происходить образование активных форм кислорода (ROS), таких как перекись водорода, что угрожает флоре, атакуя ферменты кофакторов железа, широко используемые в метаболизме. [26] Чтобы снизить концентрацию кислорода, B. thetaiotaomicron экспрессирует ряд белков, которые удаляют ROS, такие как перекись водорода , при воздействии воздуха. [26]
Представители рода Bacteroides составляют около четверти микробной популяции в кишечнике взрослого человека. В долгосрочном исследовании видов Bacteroides в клинических образцах B. thetaiotaomicron был вторым наиболее распространенным изолированным видом после Bacteroides fragilis . [26] Он имеет решающее значение для людей, поскольку способен переваривать растительные материалы, которые ферменты в кишечнике не могут. [16]
B. thetaiotaomicron — это комменсал , тип симбиоза , то есть он обеспечивает хозяина ключевыми преимуществами, такими как пищеварение. [16] [17] B. thetaiotaomicron имеет гораздо больше гликозилгидролаз, из которых 61% расположены во внешней мембране или внеклеточном матриксе, что говорит о том, что пищеварительные способности служат хозяину бактерии больше, чем что-либо другое. [20] Гликозилгидролазы выражают 23 специфические ферментативные функции, которые снабжают хозяина или даже других микробов в кишечной флоре продуктами распада гидролиза. [19] Он также обладает способностью регулировать синтез эпителиальных гликанов , процесс, который включает его способность чувствовать доступность окружающих питательных веществ, например, в просвете кишечника. Он способен обнаруживать питательные вещества и задействовать ферменты хозяина, которые создают и модифицируют гликаны, когда их мало в их среде. Этот механизм регуляции позволяет B. thetaiotaomicron поддерживать предпочтительные для него условия окружающей среды. [16]
Предыдущие исследования показывают, что B. thetaiotaomicron стимулирует ангиогенез , то есть образование новых кровеносных сосудов, во время развития кишечника после рождения. В этих исследованиях использовались стерильные мыши для контроля микробиоты и мышам прививали определенную бактерию, B. thetaiotaomicron . Ангиогенез также приносит пользу хозяину, увеличивая способность человека усваивать питательные вещества, которые микроб помогает производить. [16]
B. thetaiotaomicron доминирует в микробиоме кишечника, а также помогает в другом постнатальном развитии кишечника с образованием слизистого барьера в кишечнике, который играет важную роль в поддержании гомеостаза хозяина и микробиоты. [27] [28] Слизистый барьер, расположенный между эпителием кишечника и микробиотой, является полупроницаемым, что позволяет усваивать необходимые питательные вещества, ограничивая при этом прохождение патогенных молекул. [27] [29] Почти 90% бактерий в микробиоте кишечника, колонизирующих желудочно-кишечный тракт (ЖКТ), относятся к типам Bacteroidetes или Firmicutes. [27] Способность B. thetaiotaomicron расти на полисахаридах, полученных от хозяина, в слизи является основным фактором, способствующим его стойкости в ЖКТ. [27]
Вид Bacteroides обладает способностью производить отдельные липополисахариды (ЛПС), что предполагает, что он имеет потенциал для изменения врожденного иммунитета, поскольку гликолипиды , как известно, взаимодействуют с иммунной системой млекопитающих, в частности, посредством восприятия окружающих бактерий. Эти структуры ЛПС демонстрируют лестничный рисунок, указывающий на антиген O; однако, B. thetaiotaomicron в частности производит небольшие липоолигосахариды (ЛОС) при отсутствии антигена O. Обилие этих ЛПС и ЛОС указывает на то, что они могут функционировать, обеспечивая связь между хозяином и комменсальными микробами. [8]
B. thetaiotaomicron является видным членом микробиоты кишечника человека, и его роль в иммунном ответе сложна. Взаимодействие между B. thetaiotaomicron и иммунной системой способствует поддержанию гомеостаза кишечника и развитию иммунной системы. Противовоспалительные и иммуномодулирующие свойства внеклеточных везикул, генерируемых распространенными кишечными бактериями человека B. thetaiotaomicron , очевидны, наряду с идентификацией молекулярных механизмов, управляющих их взаимодействием с врожденными иммунными клетками. [30] B. thetaiotaomicron был связан с другими комменсальными бактериями и индукцией регуляторных Т-клеток, которые необходимы для поддержания иммунной толерантности и предотвращения чрезмерной воспалительной реакции. [3] [31]
Внешние мембранные везикулы (OMV) не только помогают защищать B. thetaiotaomicron от деградации, но и играют важную роль в стимулировании регуляторных ответов дендритных клеток . OMV B. thetaiotaomicron в здоровом кишечнике стимулируют дендритные клетки толстой кишки (DC) для экспрессии IL-10 . T-клетки стимулируются IL-10 и экспрессируются через врожденную иммунную систему через макрофаги и DC. OMV B. thetaiotaomicron у людей с язвенным колитом (UC) и болезнью Крона (CD) не способны стимулировать экспрессию IL-10, что приводит к потере регуляторных DC. При этих заболеваниях OMV B. thetaiotaomicron также вызывают значительно меньшее количество DC для экспрессии. Эти результаты также наблюдались у пациентов с неактивными заболеваниями, что означает, что дефекты иммунного ответа присущи воспалительному заболеванию кишечника (IBD). [32] [ требуется лучший источник ]
B. thetaiotaomicron также является условно-патогенным микроорганизмом и может инфицировать ткани, подверженные воздействию кишечной флоры. [26] Находясь в кишечнике, B. thetaiotaomicron обычно поддерживает полезные отношения со своим хозяином. Однако он может оказывать вредное воздействие, если попадает в другие области тела, которые не оснащены для эффективного взаимодействия с этим типом бактерий. В случае разрыва желудочно -кишечного тракта B. thetaiotaomicron, а также другие кишечные бактерии могут быть высвобождены из кишечника. [17] Это может привести к таким заболеваниям, как бактериемия , то есть наличие бактерий в кровотоке. B. thetaiotaomicron также может вызывать бактериальную инфекцию в тканях, которая вызывает иммунный ответ и способствует образованию абсцесса .
Благодаря своим способностям метаболизировать полисахариды, B. thetaiotaomicron вносит вклад в источник пищи других компонентов микробиома кишечника . Например, бактерии экспрессируют ферменты сиалидазы , но они не могут катаболизировать сиаловую кислоту . Следовательно, их присутствие увеличивает количество доступной сиаловой кислоты в кишечнике, которая может быть использована другими организмами для получения энергии. Эта специфическая способность позволяет расти патогенным бактериям, таким как Clostridioides difficile , которые используют сиаловую кислоту в качестве источника углерода. [33] Аналогичным образом было показано , что B. thetaiotaomicron усугубляет патогенную инфекцию E. coli из-за своей способности обогащать доступность питательных веществ для патогенов, таких как E. coli . [34] Ферментативные свойства B. thetaiotaomicron позволяют ему и дальше процветать в конкурентной среде человеческого кишечника.
Благодаря своей способности расщеплять сложные полисахариды, особенно те, которые содержатся в пищевых волокнах, которые люди не могут переварить должным образом, B. thetaiotaomicron стал модельным микробом для изучения микробиоты кишечника человека. [35] B. thetaiotaomicron играет заметную роль в здоровье кишечника, особенно в отношении его противовоспалительных свойств, которые важны при таких состояниях, как воспалительное заболевание кишечника (ВЗК) и болезнь Крона . [36] Исследования колита , формы ВЗК, показали, что B. thetaiotaomicron усиливает слизистый барьер, модулирует иммунный ответ микробиоты кишечника и противодействует дисбактериозу, обычно наблюдаемому у пациентов с ВЗК, подчеркивая роль B. thetaiotaomicron в предотвращении хронического воспаления. [34] В исследовании воспалительного заболевания кишечника (ВЗК) у мышей было обнаружено, что B. thetaiotaomicron облегчает колит при сочетании с Faecalibacterium prausnitzii . При сочетании с Faecalibacterium prausnitzii B. thetaiotaomicron оказалась квалифицированной бактерией для использования при трансплантации фекальной микробиоты и в общих будущих терапевтических отчетах . [37]
Его полностью секвенированный геном позволяет B. thetaiotaomicron подвергаться генетическим манипуляциям. Геном изменяется для понимания взаимодействия хозяина и бактерий, а также взаимодействия с другими микробами. [38] Было обнаружено, что B. thetaiotaomicron может быть сконструирован для поддержания долгосрочного хранения ответов на условия окружающей среды. Это может привести к возможности контролировать эффекты поверхностных полисахаридов , колонизации и общего здоровья кишечника хозяина. [39] Исследования также показали, что при воздействии желчи B. thetaiotaomicron развивает физиологические адаптации, позволяющие ему увеличивать свою способность к колонизации. Эти адаптации, вызванные желчью, включают в себя улучшенные механизмы толерантности к стрессу и повышенную выработку эффлюксных насосов , которые в конечном итоге обеспечивают перекрестную защиту от вредных агентов, таких как антибиотики . Однако концентрация желчи, необходимая для обеспечения этих адаптаций, может быть доступна только в определенных частях кишечника. [40]
Bacteroides thetaiotaomicron был оценен как индикатор фекального загрязнения. [41] Фекалии от разных видов хозяев приводят к различным рискам для здоровья. [42] Например, кишечные вирусы от людей являются причиной большинства желудочно-кишечных заболеваний, в то время как инфекционные паразиты, как правило, передаются от домашнего скота. [43] Определение происхождения фекалий является первым шагом в понимании риска контакта, а также того, как устранить угрозу заражения. Было обнаружено, что специфический маркер B. thetaiotaomicron , в частности, связанный с человеком штамм Bacteroides thetaiotaomicron GA17, [15] был точным индикатором фекального загрязнения. [44] Присутствие B. thetaiotaomicron больше у людей, чем у нелюдей, что делает его хорошим индикатором присутствия человеческих фекалий. [45] Точность теста в сочетании с более быстрым временем анализа для идентификации B. thetaiotaomicron в образцах делает эти бактерии – или бактериофаги, которые их инфицируют [46] – подходящим претендентом для будущей идентификации фекальных загрязнений. [44]