Влияние микробиоты кишечника и ее метаболитов на центральные и периферические циркадные часы

Введение. Сон – это физиологическое состояние, выполняющее важную гомеостатическую функцию. Несмотря на то, что сон клинически проявляется как бездействие, физиологически он представляет собой период интенсивной активности, воздействующей на восстановление тканей, консолидацию памяти и соматический рост (Губин и Вайнерт, 1991; Davis et al., 2004). Недостаток сна снижает трудоспособность человека, приводит к развитию ряда патологических процессов в организме (Карпова, 2017).

Регуляция цикла сон/бодрствование осуществляется определёнными структурами мозга, а также гормонами, которые продуцируются гипоталамусом. У млекопитающих есть эндогенная система синхронизации в супрахиазматических ядрах (SCN) гипоталамической области мозга. Основные гены циркадных часов в циркадной системе млекопитающих включают: BMAL1, CLOCK, PER1, PER2, PER3, CRY1 и CRY2. У млекопитающих гены Period (Per 1 и Per 2) важны для воспроизведения циркадных часов в ответ на свет и темноту, а ген Bmal1 является их антагонистом (Cagampang & Bruce, 2012; Губин, 2013).

Микробы имеют свои собственные биологические ритмы (Тимохина и Губин, 2011; Николенко и др., 2011). В том числе и кишечные микробы имеют свои собственные циркадианные циклы, одним из проявлений которых является колебание ключевых метаболических медиаторов, которые встраиваются в циркадный ритм хозяина и поддерживают метаболический гомеостаз (Thaiss et al., 2014; Leone et al., 2015).

Влияние рациона питания на качественный и количественный состав микробиоты кишечника.

Очевидно, что пища может влиять на качественный и количественный состав микробиоты кишечника (Zhu et al., 2020; Voigt et al., 2014; Trompette et al., 2014; Leone et al., 2015; Swiatecka D et al., 2011; Keim et al., 2014; Hildebrandt M. A., 2009). И это действительно так, диета на основе жирной пищи увеличивает количество желчеустойчивых бактерий и снижает количество таксонов, метаболизирующих полисахариды (Zhu et al., 2020). Повышенное потребление клетчатки и углеводов увеличивает количество Bifidobacterium spp, Bacteroidetes, Akkermansia municiphila, Clostridium spp и Prevotella spp. (Keim et al., 2014; Zhu et al., 2020; Trompette et al., 2014) В свою очередь, это приводит к усилению целостности барьера, чувствительности к инсулину, уменьшению воспаления и улучшению метаболизма липидов (Matenchuk et al., 2020). Как правило, в диетах с высоким содержанием жиров насыщенные жиры увеличивают количество Firmicutes, Proteobacteria и Bilophila spp (Hildebrandt M. A. et al., 2009; Zhu et al., 2020) и приводят к усилению эндотоксемии (Poroyko et al, 2016).

Влияние сдвига цикла сон-бодрствование на микробиоту кишечника.

В случае нарушения циркадного ритма питания, как при генетическом дефиците часов (Liang et al., 2015), смены часовых поясов или сменной работы (Wu et al., 2018; Wang et al., 2014; Thaiss et al., 2014; Zarrinpar et al., 2014), происходит нарушение колебания микробиоты. Было выяснено, что хроническое смещение циркадных ритмов у мышей и нарушение биоритмов, вызванное сдвигом во времени, у людей приводит к изменению ритма приема пищи и неспособность поддерживать ритмичность и состав микробиоты, что переходит в дисбактериоз и трансмиссивные метаболические последствия, включающие ожирение и непереносимость глюкозы (Thaiss et al., 2014).

Во время смены часовых поясов у путешествующих людей тип микробов Firmicutes стал более многочисленным, в то время как количество бактерий Bacteroidetes сократилось в микробиоте кишечника. Восстановление от дисбиотических эффектов смены часовых поясов произошло в течение двух недель. Однако, у стерильных мышей, которым была проведена трансплантация кишечных микробов из образцов, полученных во время смены часовых поясов у людей, наблюдался значительный прирост веса и более высокий уровень глюкозы в крови после перорального приема глюкозы по сравнению с мышами без микробов, которым была проведена трансплантация кишечных микробов до смены часовых поясов. Наблюдаемые метаболические последствия не были устранены регулярным режимом сна и бодрствования у стерильных мышей (Thaiss et al., 2014). Интересно, что повышенное количество Firmicutes связано с более высокой склонностью к ожирению и метаболическим заболеваниям в исследованиях на людях (Ley et al., 2006). Дисбактериоз и метаболические последствия нарушения циркадных часов могут быть связаны с повышенной проницаемостью кишечного эпителиального барьера (Poroyko et al., 2016).

Взаимосвязь питания и микробиоты кишечника на экспрессию генов.

Некоторые авторы предполагают, что гены часов присутствуют в желудочно-кишечном тракте и являются частью функциональных молекулярных часов, которые координируют ритмические физиологические функции. В ходе исследований было выяснено, что гены часов ритмично экспрессировались по всему желудочно-кишечному тракту. Питание по времени приводило к сдвигу экспрессии гена часов на уровне РНК и белка, но не сдвигало экспрессию гена часов в центральных часах (Hoogerwerf et al., 2007).

В другом исследовании было продемонстрировано, что стерильные мыши, получавшие диету с низким или высоким содержанием жиров, показывали изменение экспрессии генов центральных и печеночных циркадных часов и не прибавляли в весе по сравнению с аналогичными мышами, выращенными традиционным способом. Микробные метаболиты, в частности короткоцепочечные жирные кислоты, выделяемые бактериями при употреблении диеты с высоким и низким содержанием жиров, приводят к изменению экспрессии генов циркадных часов в гепатоцитах. Таким образом, предполагается, что микробные метаболиты, поступающие в организм хозяина, обладают способностью регулировать или изменять центральные и печеночные циркадные ритмы и метаболическую функцию хозяина, особенно при соблюдении диеты (Leone et al., 2015; Marcinkevicius et al., 2015).

Ритмы микробиома кишечника.

До 60% от общего микробного состава, а именно Clostridiales, Lactobacillales и Bacteroidales, колеблются ритмично в 24-часовом цикле. В исследовании на мышах было выяснено о существовании функциональной активности микробиоты, специфичной для времени суток. Например, в темновую фазу (активную для мышей) наблюдалось повышение энергетического метаболизма, репарации ДНК и рост клеток. Световая фаза (неактивная для мышей, сон) характеризовалась большим количеством «поддерживающих» путей, вовлеченных в детоксикацию, подвижность и восприятие окружающей среды (Thaiss et al., 2014).

Устранение ритмов микробиоты при лечении антибиотиками и у стерильных мышей приводит к потере колебаний хроматина, а также к временной реорганизации метаболических путей как в кишечнике, так и в печени (Leone et al., 2015; Thaiss et al., 2016).

Микробиота кишечника – это тот фактор, который определяет экспрессию генов периферических часов (Tahara et al., 2018; Mukherji et al., 2013; Tahara et al., 2018; Leone et al., 2015). Однако, основные часы и связанные с ними гены колеблются независимо от микробных воздействий (Hoogerwerf et al., 2007). Некоторые авторы (Thaiss et al., 2014) в своём исследовании предположили, что молекулярные часы, а также уравновешенные промоторные и энхансер-ные области большой части генома подвергаются са-моподдерживающейся ритмичности, в то время как последующая индукция ритмичности в некоторых частях транскриптома зависит от правильной интерпретации сигналов окружающей среды, таких как восприятие колеблющихся уровней изобилия метаболитов.

Колебания микробиоты кишечника могут нарушаться под действием некоторых факторов, например, таких как диета с высоким содержанием жиров (Leone et al., 2015; Zhu et al., 2020; Voigt et al., 2014;

Hildebrandt et al., 2009), ограничение пищи, состав пищи (Zhu et al., 2020; Keim et al., 2014; Swiatecka et al., 2011), дефицит генов молекулярных часов (Liang et al., 2015) и фазовые сдвиги в цикле свет-темнота (Voigt et al., 2014). Поскольку бактериальные таксоны, такие как Bacteroides, Rumminococcus, Bifidobacteria и Roseburia, используют углеводы, неудивительно, что они реагируют на цикл питания / голодания (Poroyko et al., 2016).

Короткоцепочечные жирные кислоты влияют на экспрессию часовых генов и характер сна.

Один из наиболее важных сигналов, которые люди получают ежедневно – это микробные метаболиты, абсорбированные желудочно-кишечным трактом, некоторые из которых связаны со снижением риска аллергических и метаболических заболеваний (Trompette et al., 2014). Кишечные микробные метаболиты, такие как бутират и ацетат короткоцепочечных жирных кислот, могут влиять на экспрессию часовых генов (Leone et al., 2015; Gao et al., 2020; Tahara et al., 2018). Концентрация этих метаболитов зависит от активности хозяина и времени приёма пищи, поэтому меняется в течение дня, при этом самые высокие концентрации в образцах фекалий приходятся на активный период и снижаются в неактивный период (Tahara et al., 2018). Часовые гены экспрессируются в нескольких отделах кишечника. Установлено, что наибольшее количестве мРНК часовых генов находится в клетках тощей кишки и толстой кишки по сравнению с другими отделами кишечника. Тощая и слепая кишки посредством эпителия поглощают SCFA, образующиеся в результате микробной ферментации (Froy & Chapnik, 2007; Hoogerwerf et al., 2007).

В исследовании Leone et al., 2015 обнаружили, что у стерильных от микробов мышей дефицит микробных метаболитов приводит к нарушению экспрессии генов центральных и печеночных циркадных часов. Исследование включало опыты in vitro и in vivo. Было показано, что экспрессия часового гена Bmal1 повышается после обработки бутиратом и ацетатом, а часовой ген Per2 также увеличивался под действием бутирата, но снижался в ответ на обработку ацетатом в клетках печени in vitro. У стерильных мышей под действием бутирата происходило значительное увеличение соотношения мРНК Per2/Bmal1 в клетках печени, а также незначительное увеличение в медиобазальных клетках гипоталамуса in vivo.

Имеются данные, что гены Bmal1 и Per2 регулируют циркадные процессы на молекулярном уровне. Соотношение Per2/Bmal1 является маркером метаболических регуляторных сетей в печени. Далее в исследовании было показано, что интрапортальная инъекция бутирата приводит к увеличению на 70% времени non-REM фазы сна у мышей; однако системные подкожные и внутрибрюшинные инъекции бутирата не влияли на сон (Leone et al., 2015). Эти результаты свидетельствуют о том, что вызывающие сон эффекты бутирата опосредуются печеночными сенсорными механизмами.

По результатам исследований Lin et al., 2015 видно, что SCFA регулируют экспрессию генов и транскрипцию хроматина путем ингибирования гистоновых деацетилаз (HDAC). Активность HDAC ингибируется внутриклеточным бутиратом, пропионатом и ацетатом. Инъекция бутирата натрия вызвала гиперацетилирование гистонов в гиппокампе и лобной коре, однако, введение бутирата натрия внутрибрюшинно сопровождалось хроническим ингибированием HDAC, что улучшало обучение и память у мышей дикого типа и мышей с атрофией мозга (Fischer et al., 2007).

Влияние кишечной микробиоты и её метаболитов на циркадные ритмы в эпителиальных клетках кишечника.

В эпителии кишечника происходит циркадная ритмичная экспрессия часовых генов, в частности, таких как RORα (Sato et al, 2004) и Rev-Erbα (Cho et al, 2012), которые контролируют многочисленные гены, участвующие в гомеостазе функций эпителиальных клеток кишечника. Например, RORα и RevErbα включены в процесс регуляции Toll-подобных рецепторов (TLR). TLR-опосредованная передача сигналов микробиоты следует ритмическому паттерну и приводит к контролю гомеостаза эпителия кишки (Froy & Chapnik, 2007; Mukherji et al., 2013; Lin et al., 2015).

В исследовании (Mukherji et al., 2013) на мышах, которым проводилась антибиотикотерапия, в эпителии кишечника происходило увеличение транскриптов RevErbα, PPARα, а транскрипты RORα и PPARβ уменьшались. Также транскрипты Bmal1 и Cry1 уменьшились, тогда как транскрипты Per1 и Per2 увеличились, а транскрипты Clock остались без изменений. То есть можно сказать, что отсутствие микробиоты препятствует передаче сигналов, опосредованной PRR (об-раз-распознающие рецепторы), и нарушает функцию часов, что проявляется в нарушении транскрипции всех генов, экспрессия которых зависит как от PRR, так и компонентов часов. Так, в отсутствии микробиоты происходит следующая цепочка событий: нарушение передачи сигнала от PRR – постоянная экспрессия PPARα в эпителии кишечника – постоянное увеличение экспрессии RevErbα и репрессия гена E4BP4 (регулирует фермент Cyp11a1) приводит к конститутивной экспрессии фермента Cyp11a1, который катализирует скоростьлимитирующую первую стадию стероидогенеза, превращения холестерина в прегненолон (Guryev et al., 2003).

Постоянная экспрессия PPARα в результате отсутствия микробиоты кишечника приводит к нарушению экспрессии часовых генов Bmal1 и Cry1 в эпителиальных клетках кишечника (Mukherji et al., 2013, Grimaldi et al., 2010).

Бутират увеличивает содержание PPARα в энтеро-цитах как на уровне мРНК, так и на уровне белка. Можно предположить, что содержание PPARα может быть связано с обилием PER2 (Wachtershauser et al, 2000). Примечательно, что высокие концентрации SCFA могут ингибировать свой собственный переносчик MCT1 в эпителии кишки по обратной связи, в результате транспорт короткоцепочечных жирных кислот снижается (Zhao et al., 2019).

Выводы.

Циркадные часы существуют во всех системах организма и проявляются во многих физиологических процессах организма. Для поддержания циркадных ритмов человеку необходим правильный здоровый сон, а также правильное и ритмичное питание. Естественно, что микробиота кишечника также имеет свои циркадные ритмы, которые преимущественно регулируются режимом питания и голодания, а также метаболическим путем влияния организма человека на микробиоту. Постоянная сменяемость часовых поясов в связи с перелетами или у сменных рабочих, а также нарушение циклического режима питания / голодания способны нарушить естественные колебания микробиоты кишечника. При этом наблюдается нарушение выработки метаболитов кишечной микробиотой, то есть происходит нарушение циклов обмена веществ. Качественные и количественные изменения в микробиоте проявляются в риске развития метаболических заболеваний, таких как ожирение, сердечно-сосудистые заболевания (гиперлипидемия, атеросклероз и гипертония), инсулинорезистент-ность, диабет 2 типа, подагра и гиперурикемия. Поэтому можно сделать вывод, что здоровье человека и микробиота кишечника имеют между собой прямую зависимость.

Один из механизмов работы циркадных часов в том, что в соответствии с суточными изменениями окружающей среды происходит регуляция физиологических процессов посредством координации колебаний транскриптома в центральных и периферических тканях. В каждой отдельной клетке ритмическая программа транскрипции выполняется сетью факторов транскрипции основных часов, включая Per, Cry, Bmal и Clock, которые изменяют динамику хроматина. В результате до 20% общего транскриптома ткани и до 50% всех транскриптов в организме состоят из колеблющихся элементов, которые определяют суточный характер клеточной и организменной активности.

Активность циркадных часов в значительной степени влияет на клеточный метаболизм, что позволяет учитывать временные изменения метаболических процессов организма в течение дня. Так, например, систему циркадных часов печени нужно учитывать при процессе биотрансформации ксенобиотиков, что представляет практический интерес в фармакологии.