Кто тут хозяин? Как кишечные бактерии изменяют белки мозга

Согласно новому исследованию, опубликованному в журнале Nature Structural and Molecular Biology, кишечные бактерии могут влиять на то, как белки в мозге химически модифицируются сахарами в процессе, известном как гликозилирование. Исследователи использовали новую методику под названием DQGlyco, что позволило им проанализировать гликозилирование в мозге с беспрецедентным разрешением и продемонстрировать, что разные микробные популяции в кишечнике могут изменять эти паттерны, что может влиять на функцию мозга.

Гликозилирование белков — это биологический процесс, при котором молекулы сахара присоединяются к белкам, что помогает регулировать, как белки функционируют, взаимодействуют и общаются между собой. Хотя этот процесс играет важную роль во многих системах организма, его изучение в мозге было затруднено из-за сложности и разнообразия сахарных модификаций. Ранее проведенные исследования также имели ограничения из-за технических сложностей в идентификации и количественном анализе многочисленных форм гликозилирования на одном белке.

Чтобы преодолеть эти трудности, исследователи разработали метод, называемый глубоким количественным гликопрофилированием (DQGlyco). Эта новая техника позволяет ученым измерять гликозилирование белков на масштабе и с разрешением, которое ранее было невозможно. Команда использовала DQGlyco для изучения того, как паттерны гликозилирования в мозге мышей влияют различные кишечные микробиомы.

Исследование началось с проверки метода DQGlyco на человеческих клетках и тканях мозга мыши. Этот метод сочетает в себе улучшенную подготовку образцов, высокочувствительную детекцию и точные методы маркировки для изоляции и анализа гликопептидов — фрагментов белков с присоединенными сахарными цепями. Исследователи применили свой метод к ткани мозга мышей, идентифицировав более 177 000 уникальных гликопептидов, что более чем в 25 раз превышает количество, выявленное в предыдущих исследованиях, и предлагает беспрецедентный взгляд на гликопротеом мозга.

С помощью этого усовершенствованного набора данных исследователи обнаружили широкое "микро-гетерогенитет" — это означает, что отдельные участки белка часто имели множество различных форм сахара, известных как гликоформы. В среднем на каждом участке они обнаружили около 17 гликоформ, а в некоторых случаях более 600 различных гликоформ в одном месте. Это разнообразие не было случайным. Участки с высоким микро-гетерогенитетом чаще всего располагались в структурированных и доступных частях белка, что предполагает, что структурные особенности помогают определить, насколько активно белки подвергаются гликозилированию.

Исследование также показало, что определенные типы гликозилирования, такие как те, которые включает в себя специфические типы сахаров, такие как фукоза или салициловая кислота, были более распространены на определенных доменах белка, таких как те, которые вовлечены в иммунное сигнализирование или клеточную адгезию. Эти результаты свидетельствуют о том, что химическое разнообразие сахаро модификаций может быть функционально важным, влияя на то, как белки взаимодействуют и выполняют свои задачи.

Чтобы изучить влияние кишечного микробиома на гликозилирование мозга, команда провела эксперименты с использованием стерильных мышей. Эти мыши либо содержались в стерильных условиях, либо колонизировались различными бактериальными популяциями, включая один общий кишечный вид или определенное сообщество из восьми бактерий. Две недели спустя исследователи проанализировали ткань мозга мышей.

Результаты показали значительные различия в паттернах гликозилирования между группами. Более 2500 гликопептидов в мозге были затронуты присутствием или отсутствием кишечных микробов. Эти изменения были особенно выражены на белках, известных своим участием в нейротрансляции, таких как глутаматные рецепторы и ионные каналы. Многие из измененных гликоформ находились на участках с высоким микро-гетерогенитетом, что указывает на то, что микроорганизмы могут влиять на самые динамично гликозилированные регионы белковых молекул мозга.

Интересно, что наблюдалось лишь небольшое количество изменений в количестве белка, что указывает на то, что различия не были связаны с изменениями в производстве белка, а скорее с тем, как эти белки модифицировались после их синтеза. Дополнительные эксперименты показали, что изменения в гликозилировании также связаны с различиями в растворимости белков и термической стабильности, двумя показателями изменений в функции или локализации белков.

Исследование также показало, что определенные гликоформы с большей вероятностью будут находиться на поверхности клеток, используя ферменты для выборочного удаления сахаров или белков из неповрежденных клеток. Гликоформы, находящиеся на поверхности, как правило, были более сложными и обработанными, в то время как формы с высоким содержанием манноза, часто считающиеся незрелыми, были менее доступны. Это помогло различать белки, которые все еще обрабатывались внутри клеток, и те, которые функционировали на поверхности клетки.

С комбинированием глубокого профилирования с структурными предсказаниями от AlphaFold, исследователи создали модель, способную предсказать, будет ли данный участок гликозилирования высоко переменным. Эта модель, основанная на структурной экспозиции и сворачивании, успешно различала участки с высоким и низким микро-гетерогенитетом и предполагала, что паттерны гликозилирования могут зависеть от трехмерной структуры белков.

Хотя эти находки открывают новые направления для понимания оси кишечник-мозг, у исследования есть несколько ограничений. Эксперименты проводились на мышах, так что неясно, как именно результаты применимы к человеку. Также исследование измеряло паттерны гликозилирования в конкретный момент времени, что означает, что динамическая природа этих изменений за более длительные сроки остается неизвестной. Кроме того, хотя изменения в гликозилировании были связаны со структурными и биофизическими изменениями в белках, функциональные последствия для поведения или активности мозга не были напрямую проверены.

Будущие исследования могут изучить, как эти изменения в гликозилировании влияют на нервное развитие, когницию или риск болезней. Авторы также предполагают, что их метод DQGlyco можно применить к человеческим тканям или моделям заболеваний, чтобы выявить подписи гликозилирования, связанные с неврологическими или психиатрическими расстройствами.