Содержание статьи:
Кишечные бактерии способны оказывать удивительное воздействие на процессы, происходящие в нашем мозге. Недавнее исследование показало, что микроорганизмы, обитающие в желудочно-кишечном тракте, могут влиять на то, как белки мозга модифицируются углеводами. Этот сложный биологический процесс, называемый гликозилированием, играет ключевую роль в функционировании нейронов и межклеточной коммуникации. Открытие расширяет наше понимание связи между кишечником и мозгом, демонстрируя, что влияние микробиома простирается далеко за пределы пищеварительной системы.
Революционный метод изучения белковых модификаций
Ученые разработали инновационную технологию под названием DQGlyco (глубокое количественное гликопрофилирование), которая позволяет анализировать модификации белков с беспрецедентной точностью. Ранее изучение гликозилирования в мозговой ткани сталкивалось с серьезными техническими ограничениями из-за сложности и разнообразия сахарных модификаций. Новый подход объединил несколько передовых методик:
- Усовершенствованную подготовку образцов;
- Высокочувствительные методы детекции;
- Точные техники маркировки гликопептидов.
Применение DQGlyco к мозговой ткани мышей привело к выявлению более 177 000 уникальных гликопептидов. Это число превышает предыдущие результаты в 25 раз, открывая исследователям невиданный ранее обзор гликопротеома мозга.
Исследование обнаружило широко распространенную «микрогетерогенность» — отдельные участки белка часто несут множество различных форм сахаров, в среднем около 17 гликоформ на один участок.
Удивительное разнообразие сахарных модификаций
Анализ показал поразительную вариативность в модификациях белков. В некоторых случаях на одном участке белка обнаруживалось более 600 различных гликоформ. Такое разнообразие не является случайным — участки с большей микрогетерогенностью чаще располагаются в структурированных и доступных частях белков. Определенные типы гликозилирования демонстрировали предпочтения к конкретным белковым доменам:
- Модификации с участием фукозы чаще встречались на доменах иммунной сигнализации;
- Сиаловые кислоты преобладали в белках клеточной адгезии;
- Сложные сахарные цепи концентрировались на поверхностно-экспонированных участках.
Эти находки указывают на то, что химическое разнообразие сахарных модификаций может иметь функциональное значение, влияя на взаимодействие белков и выполнение их ролей в нервной системе.
Влияние кишечных бактерий на мозговые белки
Для изучения роли микробиома исследователи провели эксперименты с стерильными мышами, которых затем заселили различными бактериальными популяциями. Через две недели после колонизации ученые проанализировали мозговую ткань животных. Результаты оказались поразительными — более 2500 гликопептидов в мозге изменились под воздействием присутствия или отсутствия кишечных микробов. Особенно заметные изменения затронули белки, участвующие в нейротрансмиссии:
- Глутаматные рецепторы;
- Ионные каналы;
- Синаптические белки.
Важно отметить, что количество самих белков практически не изменялось, что указывает на модификацию уже существующих молекул, а не на изменение их производства. Гликозилирование также влияло на растворимость и термическую стабильность белков — два важных показателя функциональных изменений.
Структурные предсказания и новые модели
Объединив глубокое профилирование с структурными предсказаниями технологии AlphaFold, ученые создали модель, способную предсказывать вариабельность гликозилирования на основе трехмерной структуры белков. Модель успешно различала участки с высокой и низкой микрогетерогенностью.
Исследование также показало различия между поверхностными и внутриклеточными гликоформами. Поверхностно-экспонированные формы оказались более сложными и обработанными, в то время как высокоманнозные формы (считающиеся незрелыми) были менее доступными. Это помогло разграничить белки, которые всё ещё обрабатываются внутри клеток, от тех, что функционируют на клеточной поверхности.
Хотя эксперименты проводились на мышах, что ограничивает прямое применение результатов к человеку, открытие демонстрирует принципиально новый механизм влияния микробиома на функции мозга. В будущем метод DQGlyco может применяться для изучения человеческих тканей и моделей заболеваний, что поможет выявить гликозилирование как фактор неврологических и психических расстройств.
Данное исследование кардинально расширяет наше понимание оси «кишечник-мозг», показывая, что микробы не просто влияют на настроение или поведение через нейротрансмиттеры, но и способны модифицировать сами мозговые белки на молекулярном уровне. Это открывает новые перспективы для разработки терапевтических подходов, учитывающих состояние микробиома при лечении неврологических заболеваний.