Чревните бактерии могат да променят мозъчните протеини: Нов метод за гликозилиране разкрива връзката

В нашите черва живеят трилиони бактерии, а изследванията през последните няколко десетилетия установиха колко съществена е тяхната роля за нашата физиология - както за здравето, така и за болестите. Ново проучване на изследователи от EMBL (European Molecular Biology Laboratory) "Хайделберг" показва, че чревните бактерии могат да предизвикат дълбоки молекулярни промени в един от най-важните ни органи - мозъка.

Новото проучване, публикувано в списание Nature Structural & Molecular Biology, е първото, което показва, че бактериите, живеещи в червата, могат да повлияят на начина, по който протеините в мозъка се модифицират от въглехидрати - процес, наречен гликозилиране. Изследването е възможно благодарение на нов метод, разработен от учените - DQGlyco, който им позволява да изследват гликозилирането в много по-голям мащаб и резолюция в сравнение с предишни изследвания.

Нов начин за измерване на гликозилирането

Протеините са работните коне на нашите клетки и техните основни градивни елементи. От друга страна, захарите, или въглехидратите, са сред основните източници на енергия за организма. Клетката обаче използва захарите и за химическа модификация на белтъците, като променя техните функции. Това се нарича гликозилиране.

"Гликозилирането може да повлияе на начина, по който клетките се прикрепят една към друга (адхезия), как се движат (подвижност) и дори как разговарят помежду си (комуникация)", обяснява Клеман Потел (Clément Potel), първи автор на изследването и научен работник от екипа на Савицки. "Той участва в патогенезата на редица заболявания, включително рак и невронни нарушения."

Гликозилирането обаче традиционно е известно като трудно за изучаване. Само малка част от протеините в клетката са гликозилирани и концентрирането на достатъчно от тях в проба за изследване (процес, наречен "обогатяване") обикновено е трудоемко, скъпо и отнема много време.

"Досега не беше възможно да се правят такива изследвания в систематичен мащаб, по количествен начин и с висока възпроизводимост", коментира Михаил Савицки (Mikhail Savitski), ръководител на екипа, старши научен сътрудник и ръководител на Proteomics Core Facility в EMBL "Хайделберг". "Това са предизвикателствата, които успяхме да преодолеем с новия метод."

DQGlyco използва леснодостъпни и евтини лабораторни материали, като например функционализирани силициеви гранули, за селективно обогатяване на гликозилирани протеини от биологични проби, които след това могат да бъдат точно идентифицирани и измерени. Прилагайки метода към проби от мозъчна тъкан на мишки, изследователите успяват да идентифицират над 150 000 гликозилирани форми на протеини ("протеоформи"), което е над 25 пъти повече в сравнение с предишни изследвания.

Количественият характер на новия метод означава, че изследователите могат да сравняват и измерват разликите между проби от различни тъкани, клетъчни линии, видове и т.н. Това също така им позволява да изследват модела на "микрохетерогенност" - явлението, при което една и съща част от протеина може да бъде модифицирана от много (понякога стотици) различни захарни групи.

Един от най-често срещаните примери за микрохетерогенност са човешките кръвни групи, при които наличието на различни захарни групи върху протеините в червените кръвни клетки определя кръвната група (А, В, О и АВ). Това играе важна роля при определянето на успеха на кръвопреливането от един човек на друг.

Новият метод позволява на екипа да идентифицира такава микрохетерогенност в стотици протеинови участъци.

"Мисля, че широкото разпространение на микрохетерогенността е нещо, което хората винаги са предполагали, но което никога не е било ясно доказано, тъй като трябва да имаш достатъчно покритие на гликозилираните протеини, за да можеш да направиш това твърдение", отбелязва Мира Буртшер (Mira Burtscher), друг първи автор на изследването и докторант от екипа на Савицки.

От червата до мозъка

Като имат предвид прецизността и мощта на метода, изследователите решават да го използват, за да отговорят на един нерешен биологичен въпрос. В сътрудничество с групата на Майкъл Цимерман (Michael Zimmermann) от EMBL те проверяват дали чревният микробиом има някакво влияние върху наблюдаваните от тях гликозилиращи признаци в мозъка. 

"Известно е, че чревните микробиоми могат да повлияят на нервните функции, но молекулярните детайли са до голяма степен неизвестни", посочва Потел. "Гликозилирането е замесено в много процеси, като например невротрансмисията и насочването на аксоните, така че искахме да проверим дали това е механизъм, чрез който чревните бактерии влияят на молекулярните пътища в мозъка."

Интересно е, че екипът установява, че в сравнение с "безмикробни мишки", т.е. мишки, отглеждани в стерилна среда, така че напълно да липсват каквито и да било микроби в и върху тялото им, мишките, колонизирани с различни чревни бактерии, имат различни модели на гликозилиране в мозъка.

Променените модели са особено видими при протеини, за които е известно, че са важни за невронните функции, като например когнитивната обработка и растежа на аксоните.

Наборите от данни от проучването са достъпни чрез ново специално приложение за други изследователи. Освен това екипът е любопитен дали данните могат да се използват за прогнози за местата на гликозилиране, особено при различни видове. За тази цел те използват подходи за машинно обучение, като например AlphaFold - базираният на изкуствен интелект инструмент за предсказване на протеинови структури, признат с Нобелова награда за химия за 2024 г.

"Като обучаваме моделите върху данни за мишки, можем да започнем да предсказваме каква би могла да бъде променливостта на местата за гликозилиране при хората, например", посочва Мартин Гаридо (Martin Garrido), постдокторант в групите на Савицки и Саез-Родригес в EMBL и друг първи автор на изследването. "Това може да бъде много полезно за хората, които изучават други организми, за да им помогне да идентифицират местата на гликозилиране в интересуващите ги протеини."

Изследователите работят и в посока на прилагане на новия метод, за да отговорят на по-фундаментални биологични въпроси и да разберат функционалната роля, която гликозилирането играе в клетките.

Справка: Clément M. Potel et al, Uncovering protein glycosylation dynamics and heterogeneity using deep quantitative glycoprofiling (DQGlyco), Nature Structural & Molecular Biology (2025). DOI: 10.1038/s41594-025-01485-w

Източник: Gut bacteria can alter brain proteins: New glycosylation method uncovers link, Shreya Ghosh, European Molecular Biology Laboratory

Още по темата

04/02/2025

Здраве

За първи път са анализирани хранещи се със захар полезни чревни бактерии

15/09/2022

Медицина

5 начина за естествено възстановяване на здравето на червата

01/09/2022

Медицина

Как захарта разрушава чревните бактерии, което води до затлъстяване

28/06/2021

Животът

Изкуствените подсладители превръщат чревните бактерии в патогенни