Táplálkozás, a bélflóra és a máj lipidanyagcseréje - a multiomikus megközelítés újakat tesz lehetővé
A multiomikus megközelítés új betekintést enged az emlősök mikrobiomjába és lipidszintézisébe
A természet rendkívül sokféle lipidmolekulát termel, amelyeket különféle anyagcsere-utakon szintetizálnak. A zsírsavak a különféle lipidek építőkövei, beleértve a sejtmembrán-lipideket, például a foszfolipideket és a triacil-glicerideket, amelyek a lipidcseppek fő alkotóelemei. A lipidfelesleg és a lipidanyagcsere rendellenességei olyan betegségekkel társulnak, mint a metabolikus szindróma.
1. ábra Az endogén zsírsavkészlet: A zsírsavakat (FA) vagy endogén szintézissel, vagy étellel nyerik. A bélflóra döntő fontosságú a rövid láncú zsírsavak képződésében. Ezek a zsírsavak tovább metabolizálódhatnak komplex lipidekké, beleértve a foszfolipideket (PL) és a triacil-glicerideket (TAG).
A test vagy exogén forrásokból (azaz táplálékból), vagy endogén bioszintézisből kap lipideket (1. ábra). Számos sejtszintű folyamat, például a sejtnövekedés és a differenciálódás megköveteli a zsírsavak de novo szintézisét, elsősorban azért, mert sejtmembránokat kell kialakítani [1]. A zsírsav-szintáz enzim katalizálja a palmitát (C 16: 0) képződését acetátból. A palmitát az egyik fő telített zsírsav, amely megtalálható az emlős sejtekben, szövetekben és plazmában. Elongázok és deszaturázok révén tovább metabolizálódva hosszabb láncú és egyszeresen telítetlen zsírsavakat képezhet. A lipid homeosztázis döntő szerve a máj, amely döntő szerepet játszik számos anyagcsere-betegségben, különösen a 2-es típusú cukorbetegségben.
A lipidomika a zsíranyagcsere tanulmányozására
A lipidelemzés legfontosabb módszere a tömegspektrometria. Mivel a lipidomikus megközelítések manapság szinte az egész lipidómát lefedhetik, ezen a téren igazi hype alakult ki, mivel a lipidbiológia tanulmányozásának új módjai számos kutatási terület előtt megnyílnak. Azonban egyre több tanulmányt látnak rossz minőségű lipidomikai adatokkal. Ennek számos oka van, beleértve az analitikai, a bioinformatikai és a minősítéssel kapcsolatos okokat. Például gyakran hiányzik a megfelelő kontroll a minták kezeléséhez és feldolgozásához, amellyel ellenőrizzük az analitok stabilitását. Hasonlóképpen, a lipideket gyakran helytelenül jegyzik fel, és gyakran nem alkalmazzák a megfelelő mennyiségi meghatározáshoz és azonosításhoz elengedhetetlen belső standardokat [2]. Annak érdekében, hogy betekintést nyerjünk a lipidek szintézisébe, anyagcseréjébe és fluxusába, ma már a technika állása stabil izotópokkal jelölt nyomjelzők használata robusztus tömegspektrometriás elemzéssel kombinálva [3].
Mikrobiomkutatás
Az emlős bélben nagyon összetett mikrobiális közösségek találhatók. Ezeket bélflórának vagy mikrobiomnak nevezzük, ha genomjukat és környezeti körülményeiket is figyelembe vesszük. Korábbi tanulmányok kimutatták, hogy a bélflóra hozzájárul az élelmiszer-feldolgozáshoz, és a gazda számára fontos immun- és anyagcsere-funkciókat lát el. Csakúgy, mint a lipidomika, a mikrobiómák kutatása jelenleg is nagyon aktuális téma a tudományban, amelyet még a napilapok és a rádiós média is elfoglal [4]. Ez hozzájárult a megtévesztő elképzelésekhez ezen a területen, többnyire asszociációs tanulmányokon alapulva [5].
A gazda bélflóra és lipid metabolizmusa
A lipidomikával és a mikrobiomával kapcsolatos kutatások nagy számban változó tudományos minőségű publikációkhoz vezetett. Különösen az utóbbi években azonban számos tanulmány kimutatta a bélflóra és a lipidek fontosságát az alapvető biológiai folyamatok, a fiziológia és a patofiziológia szempontjából.
2. ábra A bélflóra elősegíti a zsírsavszintézist a májban: a rostos poliszacharidokat a bélflóra lebontja és a bél belsejében acetáttá fermentálja. Az acetátot hosszabb láncú zsírsavak és foszfolipidek szintézisére használják, miután az a portál vénáján keresztül eljut a májba [6].
A közelmúltban kölcsönhatásokat fedeztünk fel a táplálkozás, a bélflóra és a gazdaszervezet lipid metabolizmusa között [6]. A multiomikus elemzések azt mutatták, hogy a bélflóra egerekben lényegesen magasabb az egyszeresen telítetlen zsírsavkoncentráció, és a de novo lipidszintézis szempontjából releváns transzkriptumok és fehérjék kifejeződnek, mint a bélflóra nélküli egerek. Az egyszeresen telítetlen zsírsavak az endogén zsírsavképződés végtermékei. Étrendi beavatkozási stratégiák és mechanisztikus vizsgálatok, beleértve a stabil izotópok tömegspektrometriával történő alkalmazását is felhasználva, kimutattuk, hogy a májban a lipidszintézis nagymértékben függ a bélflórától. A rövid szénláncú zsírsav-acetátot, amely az étkezési poliszacharidok (azaz rostok) mikrobiális bontásából származik a Bacteroidetes törzs fajok szerint, a gazdaszervezet a májban hosszabb láncú zsírsavak és foszfolipidek szintézisének előfutáraként használja (2. ábra).
3. ábra A máj de novo zsírsavszintézisének stabil izotópos jelölése: Miután az egerek orális szondán keresztül kaptak 13 C-acetátot (n = 3/csoport), a májminták palmitátját gázkromatográfiával, tömegspektrometriás kapcsolással (GC-MS) határoztuk meg. 13 C-dúsítást vizsgáltak. A palmitát szintetizálható mind a jelzett, mind a jelöletlen (azaz természetes) acetát monomerekből. A címkézetlen monomerek (szürke) nem tartalmaznak 13 C izotópot, a megjelölt (sötétzöld) a 13C izotópot. Négy órás jelölés után a palmitátban jelentős 13 C-felhalmozódást találtak. Az M2-M6 izotópok megnövekedett frakcionális előfordulása 13 C-on azt mutatja, hogy a bél lumenéből származó acetát a máj lipidszintézisének előfutára.
Annak igazolására, hogy a máj a bél belsejéből származó acetátot használja a zsírsavak de novo szintéziséhez, stabil izotóppal jelzett (13 C) acetáttal rendelkező egereket adtunk szájon át. Egy ezt követő tömegspektrometriás elemzés megerősítette a máj és a plazma mintákból származó 13 C felhalmozódását a palmitátumban (3. ábra). Annak ellenőrzésére, hogy a májban lévő lipidek szintézise visszavezethető-e a bélben lévő mikrobiális acetát-termelőkre és az élelmi rostokra is, a Bacteroidetes-t antibiotikumokkal modulálták. Ezenkívül az egereket speciális, nem lebontható és fermentálható rostokkal vagy különböző rosttartalmú étrendekkel etették.
Munkánk együttvéve egy új lipid fluxus és szintézis útvonalat mutatott be a táplálék-bélflóra-gazda tengely mentén.
Következtetés és kilátások
A kutatási területek megbízható megalapozása érdekében a szakértőknek határokon átnyúlóan kell együttműködniük a robusztus mikrobiomkutatás és lipidelemzés szabványainak megállapításában. Ezenkívül a tudósoknak gondolkodniuk kell a kereten kívül és kritikusan értékelniük kell eredményeiket a publikálás előtt, hogy ösztönözzék a tudományos fejlődést az adott területeken. Egy olyan bélmikrobióm felfedezése, amely befolyásolja a máj lipidszintézisét, utat nyithat az anyagcsere-betegségek megelőzéséhez és kezeléséhez speciálisan módosított étrend és bélflóra révén.
hálaadás
Josef Ecker kutatásait a Német Kutatási Alapítvány (DFG) támogatja [EC453/1-1; Kiemelt program (SPP) 1656, EC453/2-1; Együttműködési Kutatóközpont - projektszám: 395357507 - SFB 1371] és a "ZIEL - Élelmiszer- és Egészségügyi Intézet"/Müncheni Műszaki Egyetem (TUM).