PLoS ONE: Эволюция кислотностью желудка и его отношение к человеческому Microbiome

Абстрактный
<р> Кислотность желудочного сока, вероятно, является ключевым фактором, определяющим разнообразие и состав микробных сообществ, встречающихся в кишечнике позвоночных животных. Мы провели систематический обзор, чтобы проверить гипотезу о том, что ключевая роль позвоночного желудка заключается в поддержании кишечника микробное сообщество путем фильтрации нового микробного таксонов, прежде чем они переходят в кишечник. Мы полагаем, что виды кормления либо падалью или организмов, которые являются близкими филогенетические родственники должны требовать наиболее ограничивающий фильтр (измеренный как высокая кислотность желудка) в качестве защиты от внешних микробов. С другой стороны, вид кормления на более низком трофическом уровне или на продукты питания, которые отдаленно связанные с ними (например, травоядные) должны требовать наименее ограничительной фильтра, так как риск воздействия патогена ниже. Сравнения кислотности желудка через трофических групп млекопитающих и птиц таксонов показывают, что поглотители и плотоядные имеют значительно более высокую кислотность желудка по сравнению с травоядными или плотоядными, питающихся филогенетически далекой добычи, таких как насекомые или рыбы. Кроме того, мы находим, когда кислотность желудка колеблется в пределах видов естественным путем (с возрастом) или лечения, такие как бариатрической хирургии, воздействие на кишечных бактериальных патогенов и общин в соответствии с нашей гипотезе о том, что желудок действует как экологический фильтр. В совокупности эти результаты подчеркивают важность включения измерений рН желудка при исследовании динамики кишечной микробной внутри и между видами
<р> Цитирование:. Бизли DE, Koltz А.М., Ламберт JE, Фирер N, Dunn RR (2015) Эволюция кислотностью желудка и его значимость для человека микробиомом. PLoS ONE 10 (7): e0134116. DOI: 10.1371 /journal.pone.0134116
<р> Редактор: Xiangzhen Ли, Чэнду Институт биологии, Китай
<р> Поступило: 8 марта 2015 года; Принято: 6 июля 2015 года; Опубликовано: 29 июля 2015
<р> Copyright: © 2015 Бизли и др. Это статья открытого доступа распространяется в соответствии с условиями лицензии Creative Commons Attribution, которая позволяет неограниченное использование, распространение и воспроизведение на любом носителе, при условии, что оригинальный автор и источник кредитуются
<р> Доступность данных: Все соответствующие данные находятся в работе
<р> финансирование:.. авторы не имеют никакой поддержки или финансирования сообщать
<р> конкурирующие интересы:. авторы заявили, что не существует никаких конкурирующих интересов

Введение

Часто, эволюция позвоночных животных желудок обсуждается в контексте роли желудка в химически разрушении пищи и, в частности, денатурирующих белки с помощью пепсиногена и HCl [1]. Желудок явно служит этим целям. Однако в свете нашего растущего понимания роли микробных симбионтов "в здоровье человека, интересно пересмотреть дополнительную роль желудка в качестве важного барьера против вступления патогенных микроорганизмов в желудочно-кишечный тракт [2-3]. Здесь мы рассматриваем экологию птиц и млекопитающих и желудки, в том же свете, медицинские вмешательства, которые изменяют рН в желудке человека и их последствия для отношений человек-микроба.
<Р> Ранние исследования человеческого кишечника микробиомом предположил, что кишка колонизация была стохастической и преходящим [4] и микробиомом в любой конкретный момент находился под сильным влиянием недавних колонистов [5]. Эта модель, если вообще, предложили бы скромную роль для желудка человека в модуляции состава кишечника. Однако недавние исследования в области здравоохранения желудка свидетельствует о том, что рН среды простых-stomached позвоночных служит более заметную функцию как экологический фильтр, способный, по его кислотности, умерщвления микробных таксонов, которые могли бы колонизировать кишечник [2]. В этом контексте, успешная колонизация будет нечастым. Недавние исследования показали, что при отсутствии серьезного возмущения, временную изменчивость в микробном составе кишечника человека меньше, чем изменчивость между отдельными лицами [6-8]. Когда крупные изменения происходят у здоровых людей, они часто появляются из-за изменений в относительной численности таксонов, а не приход новых [9] родословных. Все больше и больше данных, кажется, предполагают, что видоспецифичная общины в кишечнике человека появляются относительно устойчивы к возмущению [10-11], в значительной степени потому, что кислая человеческий желудок предотвращает частое колонизацию кишечника с помощью большого количества пищевых микробов , независимо от того, являются ли они полезными или патогенными.
<р> в то время как литература о желудке человека, его кислотность и кишка микробиомом, кажется, поддерживает идею, что кислотность желудка эволюционировали как барьер для патогена колонизацию, такое утверждение делает полный смысл только в свете более широкого сравнительного понимания кислотности желудка у птиц и млекопитающих [12-13]. Тем не менее, в то время как идея о том, что желудок служит барьером к патогенам часто обсуждается [14-16], ни одно исследование не по-видимому, формально сравнили рН желудка у птиц или млекопитающих в зависимости от их биологии в целом или их вероятного воздействия для пищевых патогенов, в частности
.

Поскольку поддержание кислой среды рН является дорогостоящим, кислые животы должны присутствовать в первую очередь в тех случаях, когда адаптивный (или там, где он был адаптивным в недавнем предка). Стоимость кислотности желудка имеет два аспекта. Хост должен инвестировать значительную энергию как для кислотного производства и защиты желудка от кислоты, связанной с повреждением [17]. Кроме того, кислотность желудка может предотвратить или, по крайней мере, сделать более трудным, случайным приобретением полезных микробов. На противоположном полюсе находятся те специализированные травоядные, в которых морфология желудка является производным включать щелочную камеру (forestomach или предварительно Саккус), что дом микробов критические для ферментации растительной диеты [18-22]. У этих животных, кислый желудок не только ограниченную ценность (потому что риск пищевых патогенов в растительном материале низкий), он также может удалить те микробы, которые помогают в разрушении растительного материала. В широком смысле, то мы ожидаем, что кислотность желудка, чтобы отразить диеты животных способами, которые отражают риск патогена. Мы ожидаем, что животные, питающиеся падалью будет иметь самый ограничительный фильтр, т.е. высокую кислотность желудка. Carrion имеет потенциал для поддержания высоких нагрузок патогена, потому что тело мертвого хозяина прекратил подавлять рост бактерий. Точно так же, плотоядные и всеядные можно было бы ожидать, чтобы иметь более высокие, чем кислотность желудка травоядных со специализированными бродильных forestomachs, поскольку патогенные микроорганизмы, обнаруженные в добычу, более вероятно, будут способны инфицировать хищника, чем растительных ассоциированных микробов [23]. Тем не менее, мы также ожидаем, что кислотность плотоядное и всеядное желудка также зависит от филогенетического расстояния между хищником и жертвой. Возбудители имеют гораздо больше шансов, чтобы иметь возможность заразить связанных узлов [23], таким образом, что птица потребляя насекомое должно столкнуться с меньшим риском инфекции пищевого происхождения, чем птицы, потребляющего птицу. Чтобы проверить эти гипотезы, мы сравним кислотность желудка млекопитающих и птиц через разнообразие видов диеты.
<Р> В свете результатов, мы затем вернуться к экологии человеческого желудка, его роль в качестве фильтра и вероятные последствия этой роли в контексте современного человека образа жизни и медицинских вмешательств. Если кислотность желудка действует как сильный фильтр, мы ожидаем, что, когда уровень кислотности снижается, влияние диеты ассоциированных микробов на кишечных микробиоты будет больше. Известно, что кислотность желудка снижается с возрастом, и, как следствие некоторых медицинских процедур [24-26]. Таким образом, как кислотность снижается и эффективность фильтра уменьшается, мы ожидаем увидеть рост как разнообразие микробных линий и возбудителем нагрузок в кишечнике. Мы также ожидаем, что животные, такие как человека, с очень кислыми фильтры должны быть особенно предрасположены к негативным последствиям утраты кишечника симбионтов, потому что шансы шанс реколонизации невелики.

Материалы и методы

позвоночной желудка
<р> Здесь мы сосредоточимся на двух таксономических групп, млекопитающих и птиц, в которых экология желудках были наиболее хорошо изученных. В этих таксонов, мы ориентируемся на первой камере желудочно-кишечного тракта, камеры с различными названиями в зависимости от организмов и контекста. У млекопитающих, производство желудочной кислоты и хранение временный пищевой и присутствуют в желудке. У птиц, производство кислоты происходит в железистого и хранения продуктов питания происходит в глотку (рис 1). Мы ориентируемся на желудках млекопитающих и, технически, железистого птиц, но в дальнейшем использовать термин "желудок" для простоты. Желудок сильно различаются по своей структурной сложности и размеров среди позвоночных [27], в частности млекопитающих, однако в большинстве из этих случаев, желудки наиболее кислотный компонент пищеварительного тракта [28]. Исключением из этого правила являются forestomach сбраживающие видов, в которых бактериальная ферментация предшествует переваривание и всасывание [22]. Млекопитающие травоядные клады можно охарактеризовать на основе, где имеет место в желудочно-кишечном тракте наиболее alloenzymatic (микробный) ферментации пищевых углеводов. В передней кишке бродильных, микробы находятся в одной до нескольких секций мешотчатый желудка. Среди приматов, только одна линия (подсемейство тонкотелые обезьяны) эволюционировала эту систему, но аналогичные пищеварительные стратегии встречаются в нескольких происхождений парнокопытных, а также ленивцев и кенгуру [18-22]. Среди птиц, только один вид известен полагаться на такую ​​систему ферментации (гоацин, Opisthocomus hoazin)
хотя микробы размещены в специализированном двухкамерного культуры, а не так, технически, в желудке [29] , Вне зависимости от морфологии, так как сообщества целлюлолитическая микроорганизмов и здорового брожения происходят наиболее продуктивно в щелочной среде, проксимальная часть передней кишки сбраживающие желудка имеет рН приблизительно от 5,5 до 7, в то время как дистальные участки имеют рН около 3. необходимо поддерживать определенный рН в forestomach без сомнения, влияет на кормление решений:., когда производство летучих жирных кислот в результате ферментации превышает поглощение, переизбыток кислоты может привести к снижению forestomach рН, что приводит к иногда со смертельным исходом недуга, известного как ацидоз

Литература поиск
<р> Мы искали желудочно-кишечного тракта биологии, физиологии животных и птиц физиологии учебники для измеренных значениях рН желудка. Мы также искали Web науки, PubMed, Google Scholar и неопубликованной литературы (т.е. диссертаций, тезисов конференции) для соответствующих данных. Учитывая свою основную роль в пищеварении, рН желудка было измерено в гораздо меньшем таксонов, чем можно было бы ожидать. Например, насколько нам известно, нет данных о рН желудка не существует для любого гуманоида, кроме человека, и существуют удивительно мало данных для приматов в более общем плане. Аналогичным образом, в то время как он дико считал, что гиены имеют "очень кислые" желудки, консультации экспертов в гиен и их диеты были осведомлены не данных, которые на самом деле непосредственно рассматриваемого это утверждение.
<Р> Для тех таксонов, для которых имеются данные , мы категоризированы животных по таксономическим группам (птиц или млекопитающих), видов и трофической группы. Для согласованности, мы присвоили трофический группу, основанную на естественном пищевом поведении животных (таблица 1). Разновидность была классифицирована как облигатной поглотителя, если он питается в основном падалью. С другой стороны, мы определили факультативные поглотители, как видов, которые, как известно, питаются падалью, но не в качестве основного источника питания. Мы классифицировали как плотоядных универсалом, если она подается без разбора на добычу предметов или специалиста, если диета состояла главным образом из конкретной добычи пункта (т.е. насекомые, рыбы). Разновидность был отнесен к категории всеядных, если она подается на обоих растений и животных. В травоядных, мы отделились от передней кишки бродильных кишке биореакторов для учета специализированной стратегии ферментации с участием мешотчатый желудки.
<Р> Мы рассчитали среднее значение рН для всего желудка, если были представлены значения для нескольких местах, таких как фундус, тела и пилорические регионы. Если исследования при условии, как базовые и после кормления значения, мы использовали базовый рН. Когда не натощак, рН может изменяться в зависимости от факторов, включая диету и время с момента кормления.
<Р> Мы использовали общую линейную модель подход, за которым следует апостериорных тест Тьюки-Крамера для оценки различий в желудке рН как функцию трофическая категории с использованием PROC GLM в SAS 9.3 (SAS Institute, Cary, NC, USA).

Результаты
<р> в общем, наш поиск литературы позволили получить данные по 68 видов (25 птиц и 43 млекопитающих) из семи трофических групп (таблица 1). Общая линейная модель, основанная на диете объяснил большую часть различий в желудке рН (R ^{2 = 0,63, F <югу> 1,6 = 17,63, р &л; 0,01). Трофические группы, которые были наиболее изменчивая с точки зрения их рН желудка были всеядны и плотоядные, которые специализируются в пищу насекомых или рыб.
<Р> Наша гипотеза заключалась в том, что нежелезистый сбраживающие травоядные и животные, которые питаются добычей более филогенетически далекой от они будут иметь наименее кислые животы. Тьюки-Крамера сравнения показали, что поглотители (как облигатные и факультативные) имели значительно более высокие кислотность желудка по сравнению с травоядными (как и передняя кишка кишке) и специализированных хищников, питающихся филогенетически далекой добычи. В частности, нежелезистый сбраживающие травоядные имели наименее кислые желудки всех трофических групп в то время как всеядных и плотоядных животных, широкого профиля с большим количеством уровней промежуточного рН, не отличались от любой другой группы (рис 1).}

Обсуждение
<р> на основании имеющихся данных, наш анализ показывает общую картину, в которой виды питаются падалью и животные имеют значительно более высокие кислотность желудка по сравнению с видами, питающихся насекомыми, листьев или плодов. Сами по себе эти узоры в соответствии с предположением о том, что одна роль желудка ингибировать микробную вступление в кишечнике, хотя эти модели также могут быть объяснены другими явлениями. Хищники нуждаются в более кислых желудки, чтобы лизировать белок в их основе мяса диеты. Например, секрецию пепсиногена и его активации до pepsis в желудке модулируется кислом рН (2-4) [30]. Кроме того, активность протеаз в простом кислой среде желудка зависит от кислой среды (рН 2-4) [31]. Тем не менее, в то время как это могло бы объяснить различия между хищниками и травоядными, она не учитывает очень высокой кислотности в желудках поглотителей, особенно с учетом того, что мясо потребляется мусорщиков, вероятно, не будет намного труднее переварить, чем у хищников. Мы полагаем, что эти поглотители полагаются на высокую кислотность их желудка, чтобы предотвратить колонизацию их кишок от пищевых патогенов [32]. Всеядных и piscivores были наиболее переменная в кислотностях желудка, что следует ожидать, поскольку обе диеты сильно отличаются от вида к виду. Насекомоядные может использовать различные средства, чтобы переварить хитин насекомых, с повышенной кислотностью играет определенную роль в некоторых, но не других случаях.

Особый случай herbivory
<р> Carrion кормление накладывает один вид ограничения на экологию кишка, увеличение потенциала для патогенных микроорганизмов. Herbivory накладывает другой, необходимость усваивать растительного материала невосприимчивыми к ферментативному расщеплению (целлюлоза и лигнин). Для того, чтобы переварить эти соединения, травоядные полагаются несоразмерно на микробных процессов [33]. Различные области желудочно-кишечного тракта (либо рубца, слепой кишки или в случае гоацин сложенной урожая) функционируют в основном в качестве бродильных камер. Таким образом, вызов с ферментативными кишок благоволит те микробы, которые могут быть полезны для пищеварения, снижая риск ввода патогена в кишечник. Мы полагаем, что, поскольку угроза патогенных микроорганизмов является относительно низким на живых листьях (хотя см [34]), травоядные может позволить себе поддерживать камеру, которая слегка кислой и, следовательно, менее ограничительными к бактериальному входу. Тем не менее, мы находим несколько интересных исключений из этой общности. Бобры, которые известны для хранения продуктов питания кэшей под водой, где существует высокий риск заражения простейшим паразитом Giardia лямблий
, имеют очень кислые животы. Высокая кислотность желудка, возможно, развились, чтобы справиться с этой распространенной экологической патогена [35]. Другой травоядным в нашем наборе данных с очень кислой желудка кролика, который представляет собой интересный пример поведенческой модификации среды желудка. Кролики, как известно, участвуют в частых копрофагии, который позволяет им повторно прививают себя микробов [36]. Специализированные мягкие гранулы, которые дома микробы также снижают кислотность желудка создавая среду, подходящую для ферментации [37].

Эволюция человека и рН желудка
<р> Интересно отметить, что люди, в отличие от других приматы до сих пор считали, по-видимому, имеют значения рН желудка более сродни тем питатели падаль, чем к большинству плотоядных и всеядных. При отсутствии надежных данных о рН других гоминоидах, трудно предсказать, когда такой кислой среде развивалась. Павианов ( Papio
SPP) были утверждают, проявляют наиболее похожие на человеческие кормления и кормодобывания стратегий с точки зрения эклектической omnivory, но их желудки-в то время как в целом считается кислой (рН = 3,7) -Ничего не проявляют крайне низкое значение рН видно у современных людей (рН = 1,5) [38]. Одним из объяснений такой кислотности может быть, что кормление падаль было более важным для людей (и в более общем плане hominin) эволюции, чем в настоящее время считается случай (хотя см [39]). В качестве альтернативы, в свете числа фекально-оральным патогенов, которые инфицируют и убивают людей, выбор может быть благоприятствования высокой кислотности желудка, независимо от диеты, из-за его роли в предотвращении болезнетворных микроорганизмов.

Особый риск для несовершеннолетних и пожилые люди
<р> Если в плотоядных и падаль-дозаторов, роль желудка является действовать как экологический фильтр, то мы также ожидаем увидеть выше микробное разнообразие и патогенные нагрузки в тех случаях, когда рН желудка выше. Мы видим свидетельства этого в возрастных изменений в желудке. Базовый желудок Просвет рН в организме человека составляет приблизительно 1,5 (таблица 1). Однако, недоношенные дети имеют менее кислые желудки (рН > 4) и восприимчивость к кишечными инфекциями [40]. Кроме того, пожилые люди характеризуются относительно низкой кислотностью желудка ([41], рН 6,6 в 80% участников исследования) и склонны к бактериальным инфекциям в желудке и кишечнике [42]. Важно отметить, что эти различия могут быть связаны с различиями в силе иммунной системы, однако мы утверждаем здесь, что желудок требует больше внимания при изучении этих моделей.

Последствия для медицинских вмешательств, которые влияют на рН желудка

В дополнение к естественной изменчивости, рН желудка также зависит от некоторых медицинских вмешательств, некоторые из которых становятся все более распространенным явлением. В шунтирования желудка хирургии потери веса, примерно 60 процентов желудка удаляется. Следствием этой процедуры является увеличение желудка уровень рН, которые варьируются от 5,7 до 6,8. Мы прогнозируем, что кишечник тех лиц, перенесших шунтирование желудка должны быть более склонны испытывать микробной разрастание, шаблон, который поддерживается недавней работе [25]. Мы видим, аналогичные модели в других клинических случаях, таких как эзофагит, в котором лечение включает применение ингибиторов протонной помпы и целиакии, где отсроченное опорожнение желудка связано с пониженной кислотностью [43-45]. В более общем плане, мы полагаем, что отдельные лица, подвергающиеся вмешательства, которые снижают кислотность их желудков будет при длительном повышенный риск желудочно-кишечных патогенов. Тем не менее, этот риск может быть уменьшен, если такие люди, как правило, избегать продуктов, в которых возводится патоген риск, которые включают в себя (как для птиц и млекопитающих в целом) продуктов, которые напоминают падаль (сырая рыба, сырое мясо млекопитающих, и т.д ...), и, возможно, даже мясо в целом. Таким образом, можно ожидать, что оптимальный рН для людей, чтобы меняться в зависимости от изменений в предпочтениях в еде.

человеческого желудка и потеря мутуалистических микробов
<р> В общем, кислотность желудка будет иметь тенденцию к фильтрации микробов без адаптации к кислой среде. Такие приспособления включают устойчивые клеточные стенки, спорообразующие возможности или другие черты, которые придают толерантность к высоким кислотностью и быстрых изменений в условиях рН. Мы рассмотрели роль желудка в качестве барьера патогена в контексте человеческой эволюции. Еще одним потенциальным следствием повышенной кислотности желудка, при рассмотрении в свете других приматов и млекопитающих, является трудность реколонизации путем полезных микробов. Большая часть литературы в настоящее время предполагает, что различные медицинские проблемы человека связаны с потерей мутуалистических кишечника микробов, то ли потому, что эти mutualists не удалось колонизировать во время кесарева сечения рождения гипер-чистые [46] или были потеряны за счет использования антибиотиков [47 ], или иных обстоятельств. Значение рН желудка человека может сделать людей однозначно склонны к таким проблемам. В свою очередь, мы могли бы ожидать, что среди домашних животных, что подобные проблемы должны быть наиболее часто встречается у тех животных, которые, как и мы, имеют очень кислые животы.

Вывод
<р> Мы показали, что кислотность желудка возрастает с увеличением риска пищевого происхождения воздействия патогенных микроорганизмов и предполагают, что желудок играет важную роль в качестве экологического фильтра и тем самым сильным фактором отбора в кишечнике структуры микробных сообществ и эволюции приматов, в частности. В свете современных изменений образа жизни в рационе питания, гигиены и медицинских вмешательств, которые изменяют рН желудка, мы предполагаем, что кислотность желудка у людей есть палка о двух концах. С одной стороны, высокая кислотность желудка человека предотвращает воздействия болезнетворных микроорганизмов, но также снижает вероятность повторной колонизации путем полезных микробов, если и когда они пропадают. Тем не менее, в тех случаях, когда снижается кислотность, кишечник, скорее всего, будет колонизирована патогенами. Хотя это широко обсуждается как в медицинской и экологической литературы, данные о рН на самом деле очень мало. Таким образом, чтобы полностью понять закономерности здесь освещены более детальные исследования, посвященные микрофлоры кишечника через кислотностью желудка и диеты необходимы.

Выражение признательности
<р> DEB, АМК, JEL, NF и RRD способствовали в равной степени к изготовление рукописи.

• Эффекты капсаицина на Digestion
• PLoS ONE: Геометрический Смешение, перистальтика, и геометрическая фаза желудка