Кишечные бактерии помогают японцам переваривать водоросли
|
Кишечная флора помогает млекопитающим переваривать углеводы растительного происхождения. Особенности нашей диеты влияют на эволюцию кишечных бактерий. Французские ученые обнаружили, что микробы, живущие в кишечнике японцев, производят особые ферменты для расщепления порфирана. Этот углевод содержится в красных водорослях, которые в Японии издавна составляют важную часть рациона. Гены ферментов-порфираназ были заимствованы японскими кишечными микробами у морских бактерий путем горизонтального генетического обмена. Бактерии из кишечника американцев таких генов не имеют.
В геноме человека и других приматов отсутствуют гены, необходимые для усвоения многих растительных полисахаридов, которые являются важным компонентом нашей диеты. Проблему помогают решить симбиотические кишечные бактерии, в чьих геномах имеются те гены, которых нам не хватает (см.: Кишечная микрофлора превращает человека в «сверхорганизм», «Элементы», 09.06.2006).
Морские водоросли содержат особые сульфатированные углеводы, отсутствующие у наземных растений. Этими углеводами питаются некоторые морские гетеротрофные бактерии, в том числе Zobellia galactanivorans из группы Bacteroidetes. Ферменты, при помощи которых бактерии расщепляют сульфатированные углеводы, до сих пор не были известны. Изучая геном бактерии Z. galactanivorans, французские исследователи обнаружили пять генов, которые, судя по их нуклеотидной последовательности, могли бы кодировать такие ферменты. Два из этих генов удалось пересадить в кишечную палочку, что позволило выделить кодируемые ими ферменты в чистом виде и изучить их свойства экспериментально. Оказалось, что из всех растительных полисахаридов эти ферменты расщепляют только порфиран — сульфатированный углевод, содержащийся в порфире и других красных водорослях. Таким образом, исследователи открыли новый класс ферментов, который они назвали «порфираназами».
Следующим этапом работы стало изучение трехмерной структуры порфираназ и выявление тех особенностей активного центра этих ферментов, которые обеспечивают избирательное связывание порфирана. Оказалось, что в активном центре порфираназ имеется специальный «карман» для сульфатной группы, которого нет у родственных ферментов, расщепляющих несульфатированные углеводы.
Разобравшись в структуре фермента, ученые получили возможность осуществить широкомасштабный поиск порфираназ среди отсеквенированных нуклеотидных последовательностей, хранящихся в Генбанке. Порфираназы нашлись у нескольких морских бактерий, а также у бактерии Bacteroides plebeius, обитающей в кишечнике человека. В литературе описано 6 штаммов этой бактерии, причем все они были обнаружены у жителей Японии. Известны геномы 24 других видов рода Bacteroides, которые обитают в кишечнике жителей разных стран, но ни у одной из этих бактерий нет ни порфираназ, ни других специализированных ферментов, предназначенных для расщепления углеводов морских водорослей.
Более детальный анализ генома Bacteroides plebeius показал, что по соседству с геном порфираназы имеется еще 16 генов, связанных с перевариванием полисахаридов. Только шесть из них оказались родственными генам, имеющимся у других кишечных Bacteroides. Остальные 10 генов (в том числе гены ферментов бета-галактозидаз, бета-агараз и сульфатаз), как и ген порфираназы, похожи больше всего на гены морских бактерий, питающихся водорослевыми полисахаридами. Это означает, что кишечная бактерия Bacteroides plebeius приобрела комплекс генов, необходимых для расщепления водорослевых полисахаридов, от морских бактерий путем горизонтального генетического обмена. В полном соответствии с этим выводом по соседству с изучаемыми генами в геноме Bacteroides plebeius присутствуют специализированные гены, участвующие в осуществлении горизонтального обмена (см. relaxase).
Авторы исследовали методом метагеномного анализа кишечную флору у 13 японских и 18 североамериканских добровольцев. У четверых японских граждан были обнаружены порфираназы и агаразы, в том числе у матери и ее грудной дочки, что свидетельствует о возможности передачи специфических кишечных бактерий от родителей к потомкам. В североамериканской выборке ни порфираназ, ни агараз не обнаружено.
По-видимому, японские кишечные бактерии получили возможность позаимствовать полезные гены у морских микробов благодаря существующему в Японии обычаю употреблять в пищу свежие водоросли. Нори (порфира) — фактически единственный источник порфирана в человеческой диете. Японцы ели водоросли уже в раннем средневековье: сохранились документы VIII века, из которых следует, что в то время водорослями можно было платить налоги в казну. Но несколько веков или тысячелетий — ничтожно малое время по сравнению с десятками миллионов лет эволюции кишечной флоры растительноядных и всеядных млекопитающих. Факт горизонтального переноса в данном случае было легко установить, потому что генетическое заимствование произошло сравнительно недавно. Гены для переваривания полисахаридов наземных растений, скорее всего, тоже были приобретены кишечными бактериями путем горизонтального переноса, но за давностью лет доказать это гораздо труднее.
Исследование показало, что человек даже в историческое время не утратил способности быстро приспосабливаться к изменениям собственной диеты и осваивать новые биохимические функции. В данном случае адаптация произошла за счет генетических изменений у кишечных симбионтов, но в других ситуациях приспособление может происходить и путем закрепления мутаций в нашем собственном геноме. Типичный пример — распространение мутации, позволяющей взрослым людям переваривать молочный сахар лактозу, у народов, занимавшихся молочным животноводством (см.: С. А. Боринская. Генетическое разнообразие народов). В обоих случаях изменившееся поведение людей (появление обычая пить молоко или есть сырые водоросли) повлияло на направленность отбора и способствовало закреплению мутаций, выгодных именно при таком поведении. Данный механизм, могущий придавать эволюции способных к обучению животных видимость «осмысленности» и «целенаправленности», известен под названием «эффект Болдуина» (подробнее о нём см. в заметке Гены управляют поведением, а поведение — генами, «Элементы», 12.11.2008).
Источник: Jan-Hendrik Hehemann, Gaлlle Correc, Tristan Barbeyron, William Helbert, Mirjam Czjzek, Gurvan Michel. Transfer of carbohydrate-active enzymes from marine bacteria to Japanese gut microbiota // Nature. 2010. V. 464. P. 908–912.
