Кишечный эпителий, отделяющий люминальную микробиоту (находящуюся на поверхности ворсинок, ближе к просвету кишечника) от иммунной системы слизистой оболочки, играет центральную роль в поддержании различных аспектов кишечного гомеостаза (равновесия).
Клетки кишечного эпителия (ККЭ) действуют как физический барьер для разделения микробных образований, а также для интеграции микробных сигналов из кишечного микроокружения с целью регуляции экспрессии генов и кишечного гомеостаза. Все это влияет на реактивность иммунных клеток и способствует отделению патогенных микроорганизмов из комменсальных (Artis 2008). Таким образом, ККЭ могут реагировать на изменения в микробиоме через эпигенетические изменения, которые в свою очередь настраивают работу генов хозяина. Например, уровень метилирования в 50-й области гена TLR4 в ККЭ был значительно снижен у мышей-гнотобионтов по сравнению с обычными мышами, что позволяет предположить, что комменсальные бактерии играют определенную роль в регуляции кишечного воспаления через их влияние на экспрессию TLR4 (Такаши и др., 2011).
Кроме того, деацетилирование гистонов, а также метилирование ДНК в 50-й области гена TLR4 у человека снижали уровень его транскрипции, что приводило к нарушению ответа TLR4 на его агонист-липополисахарид (Аленгат и Артис, 2014).
Экспрессия HDAC3 была достоверно снижена в ККЭ, взятых у пациентов с воспалительными заболеваниями кишечника (ВЗК), по сравнению с контрольными пациентами, что указывает на то, что снижение экспрессии HDAC3 в ККЭ может быть связано с активацией ВЗК (Аленгат и др., 2013).
В ККЭ у HDAC3-дефицитных мышей нарушались барьерные функции и развивалось спонтанное кишечное воспаление, в том числе повышенная восприимчивость к ВЗК. Интересно, что делеция HDAC3 в ККЭ, полученных от мышей-гнотобионтов, не показала аналогичного эффекта на транскрипционные пути ККЭ, барьерную функцию и восприимчивость к ВЗК, что потенциально указывает на то, что HDAC3 – опосредованная регуляция транскрипции ККЭ – требует колонизации симбионтными бактериями.
В совокупности эти данные свидетельствуют о том, что HDAC контролирует воспаление, целостность структуры ККЭ и гомеостаз кишечника.
Кроме комменсальных бактерий, было показано, что специфические патогены влияют на эпигеном ККЭ хозяина. Например, гастрит, вызванный Helicobacter pylori, был связан с гиперметилированием MGMT – гена, который кодирует метилтрансферазу ДНК, участвующую в восстановлении естественно возникающих мутаций ДНК. Гиперметилирование MGMT снижает его уровень в эпителии желудка, что приводит к нарушению репарации ДНК и усилению мутагенеза в слизистой оболочке желудка (Сепулведа и др., 2010).
Введенный перорально патоген Porphyromonas gingivalis[55] вызывал снижение экспрессии ДНК-метил– трансферазы (DNMT1) и гистондезацетилазы в эпителиальных клетках (Инь и Чунг, 2011). Эти примеры предполагают, что дисбиотические и/или патогенные бактерии могут оказывать важное провоспалительное (повышающее воспаление) действие, опосредованное изменениями эпигенетического ландшафта хозяина.
7.4. Эпигенетические модификации, связанные с микробиомом, влияющие на нормальную физиологию
Желудочно-кишечный тракт предназначен для поддержания физиологического гомеостаза при постоянных изменениях окружающей среды, таких как различная доступность питательных веществ и наличие огромного количества комменсального микробиома, а иногда вторгающихся патогенов. Микробиом кишечника способствует этой стабильности путем передачи и обработки сигналов окружающей среды для регулировки физиологического гомеостаза хозяина. В этом разделе мы познакомимся с вкладом микробиоты в поддержание гомеостаза хозяина через эпигенетическую модификацию.
1. Беременность
Период беременности жизни млекопитающих, как известно, чувствителен к эпигеномной регуляции, которая может влиять как на мать, так и на потомство (Ли, 2015). Во время беременности питание матери может эпигенетически модулировать ДНК плода таким образом, что это может повлиять на его будущие риски развития сахарного диабета 2-го типа (СД2), сердечно-сосудистых заболеваний и ожирения (Савонна Вентура, 2015). Достаточно подробно немикробиомные аспекты мы разбирали во второй главе «Подготовка к зачатию, беременность и питание».
Роль микробиома в этом контексте только начинает выясняться. Воздействие на беременную мышь грамотрицательной бактерией Acinetobacter lwoffii было связано с эпигеномными изменениями в CD4 Th1-клетках плода. Ацетилирование Н4 на провоспалительном ИФНγ-промоторе гена увеличивало его экспрессию, в то время как снижение ацетилирования Н4 в промоторе гена IL-4 вызывало снижение экспрессии IL-4, таким образом защищая потомство от экспериментально вызванной астмы (Брандт и др., 2011).
Паттерны метилирования ДНК в стволовых клетках кишечника, соответствующие стадии развития в периоде сразу после рождения, были частично отменены у мышей-гнотобионтов, что свидетельствует о роли микробиоты в эпигенетическом контроле созревания кишечника (Ю и др., 2015). Кроме того, обработка беременных мышей дексаметазоном была связана с модифицированным профилем метилирования ДНК и экспрессией генов TLR, а также различающейся бактериальной колонизацией у потомства. У мышат увеличилось количество микроорганизмов Firmicutes и уменьшилось Вacteroidetes, что позволяет предположить, что эпигенетические изменения, индуцированные внутриутробными влияниями, могут влиять на раннюю микробную колонизацию и кишечное развитие потомства, что в свою очередь может быть связано с восприимчивостью к различным заболеваниям позже, во взрослом возрасте (Кортес и др., 2016).
2. Питание
Недавно было предложено, что микробиом регулирует вызванные диетой эпигенетические изменения у хозяина. Кишечная микробиота меняется количественно в течение дня, а также функционирует по-разному в зависимости от времени суток (Лианг и др., 2015). Эти колебания контролируются временем и составом пищи. Неспособность ритмично контролировать микробиоту при помощи еды приводит к дисбиозу, что способствует ожирению и другим проявлениям метаболического синдрома (Тайсс и др., 2015).
Для изучения физиологических движущих сил этих явлений на генетической модели мышей с дефицитом часовых генов Per1 и 2 наблюдалась выраженная потеря суточных колебаний бактериальной адгезии (прикрепления) (Тайсс и др., 2016). Когда Per1-/Per2-дефицитные мыши подвергались своевременному кормлению, в котором мыши имели доступ к пище только в определенную фазу суток, нормальные колебания микробиоты восстанавливались.
Применение антибиотиков у мышей уменьшило количество мукозально-ассоциированных бактерий и их колебательное поведение. Ранее было показано, что тактовые колебания транскриптома сопровождаются ритмическим ремоделированием состояния хроматина (Волмерс и др., 2012). В то время как общая транскрипционная ритмичность ККЭ не была связана с истощением микробиоты, несколько специфических локусов (H3K4me2, H3K4me2, H3K27ac) отличались между колонизированными и мышами с истощенным микробиомом, причем несколько сотен усилителей теряли и приобретали ритмичность при лечении антибиотиками (Тайс и др., 2016). Кроме того, бактериальная колонизация мышей-гнотобионтов вызывала значительное увеличение ацетилирования Н4 и нескольких гистонных метилирований. Напротив, некоторые участки метилирования гистона были уменьшены у колонизированных мышей, по сравнению с мышами-гнотобионтами. Интересно, что влияние микробиоты кишечника на гистоны было связано с бактериальной продукцией КЦЖК, в то время как добавление мышам-гнотобионтам КЦЖК в отсутствие микробной колонизации моделировало многие из эпигенетических изменений, наблюдаемых при колонизации мышей-гнотобионтов.
Эпигенетические модификации, связанные с микробиомом, влияющие на предрасположенность к заболеваниям.
Как уже упоминалось выше, микробиом имеет важное значение для нормального развития хозяина и поддержания множества физиологических аспектов, а также для передачи сигналов хозяину в условиях меняющейся окружающей среды. Однако микробиом также может оказывать вредное воздействие на здоровье хозяина, когда его состав и функции изменяются. В этом разделе мы обсудим вклад микробиоты в патологии и заболевания, которые опосредованы, в частности, модификацией нормальных эпигенетических механизмов хозяина на примере нескольких многофакторных состояний болезни.
3. Воспалительные заболевания кишечника (ВЗК)
ВЗК – это группа хронических, возникающих спонтанно, системных воспалительных заболеваний, которые включают болезнь Крона (БК), язвенный колит (ЯК) и неспецифический колит. Они обычно появляются в молодом возрасте и характеризуются периодами ремиссии и рецидива. Исследования геномных ассоциаций выявили 163 различных локуса, которые связаны с риском или защитой от развития БК и ЯК, причем значительное число этих локусов (110 из 163) являются общими для обоих заболеваний (Иман и др., 2016).
Тем не менее связанные с ВЗК генетические неблагоприятные полиморфизмы (варианты) присутствуют у многих людей, у которых не развивается ВЗК (Хаттенховер, 2014). Очевидно, что генетика не может полностью объяснить возникновение этих заболеваний. Роль микробиоты в ВЗК хорошо изучена. Аномальная связь между микробными сообществами кишечника и иммунной системой была определена как основной дефект, который может привести к хроническому воспалению кишечника (Эсквит и Паури, 2010).
Убедительные доказательства указывают на то, что кишечное воспаление при ВЗК возникает в результате взаимодействия кишечной микробиоты с иммунными отделами слизистой кишечника, что позволяет предположить, что кишечная микробиота является существенным фактором в развитии воспаления при ВЗК (Манихан и др., 2012).
Многие исследования были сосредоточены на микробном составе кишечника при ВЗК и продемонстрировали количественные и качественные изменения в составе, свидетельствующие о дисбиозе. Основные изменения, наблюдаемые в микробиоме кишечника пациентов с ЯК и БК, включают снижение видового разнообразия бактерий, снижение стабильности популяции, а также чрезмерную или недостаточную экспрессию конкретных видов.
Один из механизмов, посредством которого взаимодействия хозяина и микробиоты могут регулировать транскриптом хозяина, вызван связанным с микробиотой изменением эпигенетического ландшафта кишечной и иммунной клеточной генетики. Исследование на близнецах и другие эпидемиологические исследования показали, что эпигенетические процессы могут играть важную роль в возникновении ВЗК (Келлермайер и др., 2010).
В некоторых работах было показано, что гиперметилирование генов, связанных с ЯК, участвует в патогенезе этого заболевания. Например, было упомянуто, что промоторная область генов MDR1 и PAR2 гиперметилируется в слизистой оболочке толстой кишки больных ЯК, и это коррелировало с тяжестью заболевания (Тахара и др., 2009). Кроме того, происходит снижение метилирования ДНК, вызывающее повышенную активность провоспалительного гена IFNα, который был обнаружен в Т-клетках у больных ВЗК, по сравнению с нормальным контролем (Гонски и др., 2009).
Несколько исследований продемонстрировали прямую связь между микробиомом кишечника и эпигенетическими состояниями хозяина в контексте ВЗК. Одно исследование, упомянутое выше, показало, что мыши-гнотобионты демонстрируют накопление клеток iNKT, что делает их более восприимчивыми к ВЗК, по сравнению с контрольными мышами. Накопление iNKT у мышей-гнотобионтов было вызвано гиперметилированием в гене Cxcl16, а микробная колонизация у новорожденных мышей-гнотобионтов снижала гиперметилирование гена Cxcl16 до уровня нормы, защищая их от повышенных рисков к ВЗК.
В совокупности эти исследования демонстрируют, что микробиом может оказывать модулирующее воздействие на эпигеном хозяина, приводя к изменениям, влияющим на восприимчивость к ВЗК.
4. Канцерогенез
Канцерогенез – это многофакторный процесс, подверженный влиянию генетических и экологических факторов и склонный возникать при воспалении. Было предложено, что эпигенетическое перепрограммирование микробиомом вносит свой вклад в патофизиологию рака (Ли и др., 2012). Предполагалось, что микробиом кишечника тесно взаимодействует с неопластической (опухолевой) тканью (Дежея и др., 2014) и вызывает канцерогенез либо непосредственно, либо через повышение воспалительных реакций, приводящих к канцерогенезу (Жанг и др., 2013).
Было показано в работе (Ванг и др.,2017), что:
• фактор вирулентности FadA, продуцируемый микроорганизмом Fusobacterium nucleatum, стимулирует пролиферацию и рост эпителиальных клеток;
• бактериальный токсин фрагилизин (fragilysin) активирует онкоген c-Myc;
• макрофаги, инфицированные Enterococcus faecalis, вызывают хромосомную нестабильность в энтероцитах, что у иммунокомпрометированных мышей приводит к опухолям.
Микробные продукты, такие как АФК (активные формы кислорода, свободные радикалы), производимые Enterococcus faecalis, могут вызывать повреждение ДНК. Бактериальные метаболиты пищевых соединений, таких как сероводород, нитрозамины и гетероциклические амины, фекапентены и ацетальдегид, показали канцерогенную активность. Было высказано предположение о том, что некоторые конфигурации микробиома могут служить биомаркерами рака (Зеллер и др., 2014).
Все больше данных свидетельствуют о потенциальных связях между изменениями микробиома и эпигенетическими модификациями, предрасполагающими к канцерогенезу, хотя причинно-следственная связь до сих пор не была убедительно доказана в большинстве случаев. Например, у мышей, страдающих дефицитом фукозилирования, который нарушает взаимодействие хозяина и микробиома, наблюдаются колит, дисплазия и усиленное образование опухолей, связанное с понижением регуляции гена HES1, что коррелирует с эпигенетической потерей MLH1 (Ванг и др., 2017).
Раковые клетки характеризуются эффектом Варбурга, то есть метаболическим сдвигом от митохондриального дыхания, который включает окислительное фосфорилирование АТФ, к аэробному гликолизу и молочной кислоте, приводящим к накоплению КЦЖК бутирата в ядре. В высоких концентрациях бутират проявлял антипролиферативные (защитные от рака) свойства, обусловленные его функцией в качестве ингибитора гистондезацетилазы (HDAC) (Донахью и др., 2012; Кифер и др., 2006). Кроме того, высокие внутриклеточные концентрации бутирата способствовали производству ацетил-КоА, который добавочно влиял на ацетилтрансферазы гистона. Интересно, что эта особенность не мешала его пролиферативно-стимулирующему воздействию на здоровые колоноциты (клетки кишечника).
Обработка линий опухолевых клеток человека бутиратом и эпигаллокатехином галлатом (EGCG) приводила к их апоптозу и остановке клеточного цикла, что было опосредовано снижением уровня эпигенетических модифицирующих ферментов HDAC1 и DNMT1 (Салдана и др., 2014).
Аналогичные противоопухолевые эффекты были зарегистрированы и в клеточных линиях медуллобластомы человека (Нор и др., 2013). У людей была выявлена связь между уровнями бутирата в кале, наличием, размером опухоли и представителями микробиоты, которые являются производителями большого количества бутирата, такими как Desulfovibrio и Enterococcus faecalis. Показано, что этих микроорганизмов мало у пациентов с онкодиагнозом по сравнению со здоровыми людьми (Вейр и др., 2013).
Помимо влияния на активность HDAC, бутират подавляет образование опухоли через другие механизмы, такие как повышение индукции TNF-α, NF-κB (Хидзалова и др., 2008), подавление ангиогенеза (Згорас и др., 2003) и регулирование уровня микроРНК.
Несколько кишечных комменсальных микроорганизмов были связаны с индукцией метилирования ДНК хозяина в опухолях. Биоптаты опухолевой ткани, полученные от людей, показали повышенную колонизацию фузобактериями по сравнению с соседними нормальными тканями, или биоптатами, полученными от людей без онкодиагноза (Костис и др., 2013). Опухоли, сильно колонизированные фузобактериями, имели повышенное метилирование некоторых генов и микросателлитную нестабильность[56]. Также они были связаны с более высокой стадией опухоли, плохой дифференцировкой опухоли и сниженной выживаемостью хозяина (Мима, 2015).
В другой работе было обнаружено, что Helicobacter pylori (HP) индуцирует метилирование промоторов генов в генах, связанных с ростом, репарацией ДНК и клеточной адгезией в клетках слизистой оболочки желудка, которые были обратимыми после удаления HP (Вен и др., 2010). Кроме того, ткани желудка, положительные по HP, характеризовались более высокой степенью метилирования ДНК, чем ткани без НР. В то же время HP-положительные опухолевые клетки желудка показали только один островок CpG с повышенным метилированием, по сравнению с клетками рака желудка, отрицательными для HP.
Предварительные усилия по использованию микробиома для лечения рака посредством эпигенетической модификации включают лечение Lactobacillus acidophilus, L. casei и Bifidobacterium breve, что приводит к усилению экспрессии генов-супрессоров опухоли, которые обычно подавляются метилированием в опухолевом процессе (Лайтфут и др., 2013).
Дисрегуляция микроРНК может также способствовать развитию опухоли, впервые описана в 1983 году, когда было обнаружено, что miR-21 (микро РНК-21) и miR-106 повышаются в кале у пациентов с хроническими заболеваниями печени по сравнению со здоровыми контрольными группами (Фейнберг и Вогелштейн, 1983). Позднее с раком были связаны еще несколько кандидатных микроРНК, такие как miR-106b, miR-144, miR-18a и miR-92a (Конг и др., 2012; Ю и др., 2013).
Существует все больше доказательств того, что одним из фундаментальных механизмов, посредством которых бутират подавляет пролиферацию в опухолевых тканях, является нормализация кластеров микроРНК, а именно miR-17-92, и последующее изменение в генах-мишенях, таких как ингибирование активности гена c-Myc и усиление экспрессии гена CDKN1C (Хаприс и др., 2014).
Исследование на здоровых добровольцах сравнило эффекты потребления в первой группе испытуемых красного мяса с диетой второй группы, включающей красное мясо, но дополненной устойчивым крахмалом. Было обнаружено, что у первой группы проявлялись повышенные экспрессии микро РНК miR-17-92 и пролиферация клеток в слизистой прямой кишки, в то время как вторая группа была защищена от этого эффекта (за счет устойчивого крахмала – пребиотика, который позволял полезным бактериям вырабатывать противовоспалительные КЦЖК) (Хамприс и др., 2014).
Клеточная линия аденокарциномы желудка показала 91 дифференциально выраженную микроРНК при заражении живым E. faecalis, в то время как только две микроРНК были изменены после инкубации с бактериальным лизатом[57] (Стрикертсон и др., 2014).
HP-инфекция может изменять уровень микроРНК частично за счет цитотоксин-ассоциированного гена A (Хайяши и др., 2013). Кроме того, измененная экспрессия микроРНК наблюдалась у больных ЯК (Пеков и др., 2012).
Другие микробиом-ассоциированные эпигенетические изменения включают колибактерин, продуцируемый группой B2 E. Coli (Эшерихия коли), цитолетальный токсин, продуцируемый грамотрицательными бактериями, генотоксины, способные индуцировать двухцепочечные разрывы ДНК, которые в свою очередь могут вызывать эпигенетические изменения, такие как фосфорилирование гистона H2AX.
5. Метаболический синдром
Метаболический синдром – комплекс общих, тесно связанных заболеваний, разделяющих общую патофизиологию, включает ожирение, сахарный диабет 2-го типа (СД2), гиперлипидемию, неалкогольную жировую болезнь печени и др. Факторы риска развития этих заболеваний включают генетическую предрасположенность и множество факторов окружающей среды, таких как дисбаланс в питании и малоподвижный образ жизни, некоторые из которых в последнее время были связаны с изменениями в кишечном микробиоме (Лей и др., 2006).
Предполагаемые механизмы, при помощи которых микробиом может влиять на метаболизм хозяина, заключаются в нарушении производства энергии, изменении барьерных функций кишечника, приводящих к эндотоксемии[58], и иммуномодулирующих эффектах, приводящих к хроническому воспалению. Точные механизмы для симбионтной модуляции метаболического здоровья и болезни остаются пока неизвестными (Кани и др., 2007).
Анализы генетических ассоциаций недавно обнаружили сдвиги в паттернах метилирования в генах, включающих метаболизм липидов и липопротеинов, транспорт субстратов и воспалительные пути, чтобы потенциально предсказать развитие СД2 (Вейл и др., 2016). Кроме того, промоторные области TLR4 и TLR2 показали снижение метилирования у лиц с ожирением и лиц, страдающих СД2, соответственно, в то время как уровни метилирования имели обратную связь с ИМТ (чем больше ИМТ, тем меньше метилирование) (Ремели и др., 2014).
Для уменьшения инфильтрации жировой ткани мононуклеарными иммунными клетками и ослабления хронического воспаления, которое характеризует инсулинорезистентность и связано с метаболическим синдромом, использовался бутират (Мейжер и др., 2010).
In vitro, подвздошная кишка мыши, подвергнутая воздействию бактерий Faecalibacterium prausnitzii или Akkermansia muciniphila, показывала различную экспрессию генов кластеров транскрипционных факторов. В одном случае это приводило к повышенной экспрессии генов HDAC3 и HDAC5, участвующих в регуляции липидного обмена и насыщения, подчеркивая их роль в модификации ацетилирования гистонов (Луковач и др., 2014).
Добавление бутирата в питание мышей, находящихся на высокожировой диете, снижало увеличение их веса и инсулинорезистентность, влияя на расход энергии, опосредованный ингибированием гистонового деацетилата. Это вызывало экспрессию PPARγ ко-активатор (PGC)-1 в скелетных мышцах и буром жире. PGC-1 – это молекула, которая контролирует энергетический метаболизм, взаимодействуя с различными факторами транскрипции и тем самым регулируя митохондриальный биогенез и дыхание (Гао и др., 2009).
Повышенное метилирование ДНК промотора гена PGC-1 было описано при неалкогольной жировой болезни печени (НАЖБП), связанной с инсулинорезистентностью, хотя ассоциация с микробиомом до сих пор не была исследована (Сукоян и др., 2010).
При атеросклерозе у крыс сосудистые гладкомышечные клетки, выделенные из грудной аорты, характеризовались сниженной пролиферацией после введения бутирата, что было связано с изменениями в ацетилировании гистона H3, фосфорилировании и метилировании (Мэтью и др., 2010).
Другие посттрансляционные модификации нескольких генов были связаны с ожирением и СД2 у людей, особенно при рождении и в младенчестве (Пигейр и др., 2016). Тем не менее роль микробиома в стимулировании этих изменений до настоящего времени полностью не выяснена.
Некоторые эпигенетические изменения, играющие роль модификаторов метаболического пути в более поздней жизни, частично обратимы. Анализ метилирования целых геномов в небольшой когорте беременных и женщин контрольной группы показал, что состав микробиома кишечника может служить эпигенетическим модификатором генов, связанных с липидным обменом, ожирением и воспалением. Конфигурация микробиома, обогащенная фирмикутами, по сравнению с высоким количеством бактероидов, продемонстрировала повышенное метилирование гена SCD5, который участвует в синтезе мононенасыщенных жирных кислот из насыщенных (Кумар и др., 2014).
Было высказано предположение о том, что пропорции Firmicutes в микробиоме кишечника матери коррелируют, хотя и незначительно, с паттерном метилирования фетальной ДНК генов UBE2E2 и KCNQ1, которые, как было показано, связаны с секрецией инсулина и СД2 соответственно (Тачибана и др., 2016).
У лиц, страдающих ожирением, было обнаружено снижение метилирования в промоторной области GPR41, рецептора КЦЖК, по сравнению с людьми, имеющими нормальный вес, что демонстрируют значительные корреляции между ИМТ и метилированием нескольких генов (Ронн и др., 2015). После консультации диетолога и выбора правильного питания (с добавлением клетчатки в том числе) полные пациенты показали увеличенное метилирование зоны промотора GPR41. Хотя эти наблюдения были отнесены к изменениям в составе их кишечного микробиома, точные механизмы, с помощью которых микробиом запускает эти изменения, остаются неизвестными (Ремели и др., 2014).
ПОПУЛЯРНО