Харчування, кишкова флора та ліпідний обмін у печінці - мульти-омічний підхід дає можливість нових
Мульти-омічний підхід дає нове розуміння мікробіому та синтезу ліпідів ссавців
Природа виробляє величезну різноманітність ліпідних молекул, які синтезуються за допомогою різних метаболічних шляхів. Жирні кислоти є будівельними елементами різних ліпідів, включаючи ліпіди клітинних мембран, такі як фосфоліпіди та триацилгліцериди, які є основними компонентами крапель ліпідів. Надлишок ліпідів і порушення ліпідного обміну пов'язані з такими захворюваннями, як метаболічний синдром.
Рис. 1 Ендогенний пул жирних кислот: Жирні кислоти (ФК) отримують або шляхом ендогенного синтезу, або з їжею. Кишкова флора має вирішальне значення для утворення коротколанцюгових жирних кислот. Ці жирні кислоти можуть додатково метаболізуватися до складних ліпідів, включаючи фосфоліпіди (PL) та триацилгліцериди (TAG).
Тіло отримує ліпіди або з екзогенних джерел (тобто їжі), або з ендогенного біосинтезу (рис. 1). Численні клітинні процеси, такі як ріст та диференціювання клітин, вимагають синтезу жирних кислот de novo, головним чином тому, що клітинні мембрани повинні бути сформовані [1]. Фермент синтаза жирних кислот каталізує утворення пальмітату (C 16: 0) з ацетату. Пальмітат - одна з основних насичених жирних кислот, що міститься в клітинах, тканинах і плазмі ссавців. Він може далі метаболізуватися елонгазами та десатуразами з утворенням довших ланцюгів та мононенасичених жирних кислот. Вирішальним органом ліпідного гомеостазу є печінка, яка відіграє вирішальну роль у багатьох метаболічних захворюваннях, особливо при діабеті 2 типу.
Ліпідомія для вивчення жирового обміну
Найважливішим методом аналізу ліпідів є мас-спектрометрія. Оскільки ліпідомічні підходи сьогодні можуть охопити майже всю ліпідому, у цій галузі виник справжній ажіотаж, оскільки нові шляхи вивчення біології ліпідів відкриваються для численних наукових досліджень. Однак все частіше спостерігаються дослідження з низькою якістю ліпідомічних даних. Цьому є багато причин, включаючи аналітичні, біоінформаційні та причини, пов’язані з кваліфікацією. Наприклад, часто не вистачає належного контролю для обробки та обробки зразків, за допомогою яких перевіряється стабільність аналізованих речовин. Подібним чином ліпіди часто неправильно анотуються, і відповідні внутрішні стандарти, необхідні для належної кількісної оцінки та ідентифікації, часто не використовуються [2]. Для того, щоб отримати уявлення про синтез, метаболізм та потік ліпідів, на сьогоднішній день на сучасному рівні застосовуються індикатори, мічені стабільними ізотопами, у поєднанні з надійним мас-спектрометричним аналізом [3].
Дослідження мікробіомів
У кишечнику ссавців є дуже складні мікробні спільноти. Вони називаються кишковою флорою або мікробіомом, якщо враховувати їх геноми та умови навколишнього середовища. Попередні дослідження показали, що кишкова флора сприяє переробці їжі та виконує важливі імунні та метаболічні функції для господаря. Подібно до ліпідоміки, дослідження мікробіомів на сьогодні є дуже актуальною науковою темою, якою займаються навіть щоденні газети та радіомедіа [4]. Це сприяло оманливим концепціям у цій галузі, в основному на основі досліджень асоціацій [5].
Флора кишечника та ліпідний обмін господаря
Ажіотаж навколо досліджень ліпідомії та мікробіомів призвів до великої кількості публікацій різної наукової якості. Однак, особливо в останні роки, кілька досліджень показали важливість кишкової флори та ліпідів для основних біологічних процесів, фізіології та патофізіології.
Рис. 2 Кишкова флора сприяє синтезу жирних кислот у печінці: полісахариди клітковини розщеплюються кишковою флорою та ферментуються до ацетату всередині кишечника. Ацетат використовується для синтезу більш ланцюгових жирних кислот та фосфоліпідів після того, як він потрапляє до печінки через ворітну вену [6].
Нещодавно ми виявили взаємодію між харчуванням, кишковою флорою та ліпідним обміном організму господаря [6]. Мультиомічний аналіз показав, що миші з кишковою флорою мають значно вищі концентрації мононенасичених жирних кислот та експресію транскриптів та білків, що мають значення для синтезу ліпідів de novo, ніж миші без кишкової флори. Мононенасичені жирні кислоти є кінцевим продуктом утворення ендогенних жирних кислот. Використовуючи стратегії дієтичного втручання та механістичні дослідження, включаючи застосування стабільних ізотопів у поєднанні з мас-спектрометрією, ми показали, що синтез ліпідів у печінці значною мірою залежить від кишкової флори. Коротколанцюгові ацетати жирних кислот, які походять від мікробного розщеплення харчових полісахаридів (тобто клітковини) видами з племені Bacteroidetes, використовуються господарем як попередник для синтезу жирних кислот з довшими ланцюгами та фосфоліпідів у печінці (рис.2).
Рис. 3 Стабільне ізотопне маркування синтезу жирних кислот печінки de novo: Після того, як миші отримували 13 C ацетат перорально (n = 3/група), пальмітат зразків печінки визначали за допомогою газової хроматографії із зчепленням з мас-спектрометрією (GC-MS) 13 С-збагачення досліджено. Пальмітат може бути синтезований як з мічених, так і з немічених (тобто природних) ацетатних мономерів. Немечені мономери (сірі) не містять жодних ізотопів 13 C, позначений (темно-зелений) ізотоп 13C. Після чотирьох годин розмітки в пальмітаті було виявлено значне скупчення 13 С. Підвищений фракційний вміст ізотопологів М2-М6 з 13 С показує, що ацетат з просвіту кишечника є попередником синтезу ліпідів у печінці.
Для того, щоб довести, що печінка використовує ацетат із внутрішньої кишки для синтезу жирних кислот de novo, мишам із стабільним ізотопно міченим (13 С) ацетатом вводили перорально. Подальший мас-спектрометричний аналіз підтвердив накопичення 13 С у пальмітаті з печінки та зразків плазми (рис. 3). Щоб перевірити, чи синтез ліпідів у печінці також можна простежити до мікробних виробників ацетату в кишечнику та харчових волокнах, Bacteroidetes модулювали за допомогою антибіотиків. Крім того, мишей годували спеціальними дієтами з нерозкладається і ферментованою клітковиною або з різним вмістом клітковини.
У сукупності наша робота продемонструвала новий шлях ліпідів та шлях синтезу по осі живлення-кишкова флора-хазяїн.
Висновок та перспективи
Для того, щоб забезпечити надійність дослідницьких областей, експерти повинні співпрацювати за кордон, щоб встановити стандарти для надійних досліджень мікробіомів та аналізу ліпідів. Окрім того, вчені повинні мислити нестандартно та критично оцінювати свої результати перед публікацією, щоб стимулювати науковий прогрес у відповідних сферах. Наше відкриття мікробіому кишечника, який впливає на синтез ліпідів у печінці, може відкрити шлях для профілактики та лікування метаболічних захворювань за допомогою спеціально модифікованої дієти та кишкової флори.
день подяки
Дослідження Йозефа Еккера підтримується Німецьким науковим фондом (DFG) [EC453/1-1; Пріоритетна програма (SPP) 1656, EC453/2-1; Центр спільних досліджень - номер проекту 395357507 - SFB 1371] та "ZIEL - Інститут харчування та здоров'я"/Технічний університет Мюнхена (TUM).