Onderzoekers ontdekken communicatie tussen soorten tussen darmbacteriën en gastheer

Bacteriën in de darmen doen veel meer dan alleen helpen bij het verteren van voedsel in de magen van hun gastheren, ze kunnen ook de genen in hun zoogdiergastheren vertellen wat ze moeten doen.

Een studie die vandaag is gepubliceerd in Cel beschrijft een vorm van "communicatie tussen soorten" waarbij bacteriën een specifiek molecuul uitscheiden - stikstofmonoxide - waarmee ze kunnen communiceren met het DNA van hun gastheer en dit controleren, en suggereert dat het gesprek tussen de twee de menselijke gezondheid in grote lijnen kan beïnvloeden.

De onderzoekers van Case Western Reserve University School of Medicine, Universitair Ziekenhuis Cleveland Medical Center, en Harvard Medical School volgden stikstofmonoxide afgescheiden door darmbacteriën in kleine wormen (C. elegans, een algemeen zoogdierlaboratoriummodel). Stikstofmonoxide uitgescheiden door darmbacteriën gehecht aan duizenden gastheereiwitten, het vermogen van een worm om zijn eigen genexpressie te reguleren volledig verandert.

De studie is de eerste die aantoont dat darmbacteriën kunnen profiteren van stikstofmonoxidenetwerken die alomtegenwoordig zijn in zoogdieren, inclusief mensen. Stikstofmonoxide hecht zich op een zorgvuldig gereguleerde manier aan menselijke eiwitten - een proces dat bekend staat als S-nitrosylering - en verstoringen zijn algemeen betrokken bij ziekten zoals de ziekte van Alzheimer, Parkinson, astma, suikerziekte, hartziekte, en kanker.

De bevindingen suggereren dat stikstofmonoxide een algemeen mechanisme is waarmee darmbacteriën kunnen communiceren met zoogdiergastheren. Eerder werk om communicatielijnen van en naar darmbacteriën te ontwarren, was voornamelijk gericht op zeldzame moleculen die bacteriën afscheiden. De nieuwe bevindingen lijken op het blootleggen van een chemische taal die veel voorkomt bij soorten, in tegenstelling tot losse woorden, zei senior auteur Jonathan Stamler, MD, directeur van het Institute for Transformative Molecular Medicine aan de Case Western Reserve University School of Medicine en voorzitter van het Harrington Discovery Institute van het University Hospitals Cleveland Medical Center. "Er is een enorme complexiteit in de darm, en veel onderzoekers zijn op zoek naar de volgende ongebruikelijke stof die wordt geproduceerd door een bacterie die de menselijke gezondheid kan beïnvloeden, " zegt hij. Met biljoenen bacteriën in de gemiddelde darm, Stamler besloot op zoek te gaan naar een gemeenschappelijke taal die alle bacteriesoorten zouden kunnen gebruiken. "De enorme omvang van de darmbacteriënpopulatie en de relatie met de gastheer voorspelt dat er algemene communicatiemiddelen zullen zijn die wij mensen kunnen herkennen."

De onderzoekers demonstreerden het fenomeen door zich ontwikkelende wormbacteriën te voeden die stikstofmonoxide produceren. Vervolgens selecteerden ze een heel belangrijk eiwit - argonaute-eiwit, of ALG-1 - dat sterk geconserveerd is van wormen tot mensen en onnodige genen tot zwijgen brengt, inclusief genen die cruciaal zijn voor ontwikkeling. Wanneer stikstofmonoxide wordt uitgescheiden door de bacteriën die aan ALG-1 zijn gehecht, ze ontwikkelden misvormde voortplantingsorganen en stierven. Te veel stikstofmonoxide van bacteriën beval de DNA-uitschakelingseiwitten van de wormen en verhinderde een gezonde ontwikkeling.

"Praktisch, dieren laten dit niet gebeuren, " zei Stamler. In plaats daarvan, de auteurs speculeren dat een zoogdiergastheer buiten een laboratoriumomgeving zich zal aanpassen aan veranderende stikstofmonoxideniveaus. zei Stamler, "De worm zal kunnen stoppen met het eten van de bacteriën die het stikstofmonoxide maken, of het zal andere bacteriën gaan eten die minder stikstofmonoxide maken, of zijn omgeving veranderen, of talloze andere aanpassingen. Maar op dezelfde manier, te veel stikstofmonoxide geproduceerd door ons microbioom kan ziekte of ontwikkelingsproblemen bij de foetus veroorzaken."

De studie draagt ​​bij aan een groeiend aantal bewijzen dat bacteriën die in de darm leven, bepaald door voeding en omgeving, hebben een enorme invloed op de gezondheid van zoogdieren. Stamler stelt zich voor dat stikstofmonoxide een kans kan zijn om deze symbiotische relatie te manipuleren. Net zoals probiotica zijn ontworpen om de spijsvertering te verbeteren, het inenten van de darm van een persoon met bacteriën om de stikstofmonoxidesignalering te verbeteren is denkbaar. "Ik denk hier nu therapeutisch over na, als medicijn. Er zijn enorme mogelijkheden om stikstofmonoxide te manipuleren om de menselijke gezondheid te verbeteren."

Hoewel stikstofmonoxide en S-nitrosylering een algemene vorm van communicatie tussen soorten kunnen zijn met brede gevolgen voor de gezondheid, het zal aanvullend toekomstig onderzoek vereisen. Zal stikstofmonoxide het enige chemische communicatiekanaal zijn? "We zien in feite een nieuw veld openen voor algemene communicatiestrategieën, "zegt Stamler. "Er zullen anderen zijn."

• ICHE's beoordelingen over chirurgische infecties,
• AGA kondigt 10 vroege arts-wetenschappers aan voor het nieuwe FORWARD-programma