Bacteroides a zdrowie jelit – nowe odkrycia w metabolizmie bakteryjnym

Jak bakterie Bacteroides wpływają na zdrowie jelit?

Bakterie z rodzaju Bacteroides stanowią istotny składnik mikrobiomu jelitowego człowieka, charakteryzując się wyjątkową zdolnością do degradacji złożonych glikozaminoglikanów (GAG). Najnowsze badania rzucają nowe światło na mechanizmy, dzięki którym Bacteroides caccae rozkłada te strukturalnie skomplikowane polisacharydy, odsłaniając niezwykły cykl enzymatyczny o potencjalnym znaczeniu klinicznym. Bakterie z rodzaju Bacteroides organizują swoje geny związane z metabolizmem węglowodanów w tzw. loci wykorzystania polisacharydów (PUL), gdzie geny są współzlokalizowane i współregulowane w odpowiedzi na określony glikan lub grupę chemicznie pokrewnych glikanów.

Glikozaminoglikany są wszechobecnymi, liniowymi heteropolisacharydami występującymi w macierzy pozakomórkowej i na powierzchniach komórek ssaków. Mikrobiologiczny rozkład GAG generuje biologicznie aktywne metabolity mikrobiologiczne, takie jak krótkołańcuchowe kwasy tłuszczowe (SCFA), które wpływają na ogólny stan zdrowia gospodarza i modulują skład mikrobiologiczny jelita. Członkowie rodzaju Bacteroides mogą katabolizować te trudne do rozłożenia źródła glikanów, umożliwiając wzrost innych mikroorganizmów jelitowych produkujących SCFA, co prowadzi do zwiększonego poziomu SCFA regulujących zdrowie okrężnicy i działających jako substraty dla kluczowych procesów metabolicznych.

Jakie mechanizmy kryją się za enzymatyczną degradacją chondroitinu?

W nowym badaniu naukowcy skupili się na analizie strukturalno-funkcjonalnej enzymów kodowanych przez PUL25 z B. caccae (szczep ATCC 43185). Zespół zidentyfikował kluczowy enzym BcPL35, należący do rodziny polisacharydowych liaz 35, który wykazuje preferencję do niesulfatowanego chondroitynu. Aktywność ta była początkowo niewidoczna przy testowaniu siarczanu chondroityny A (CS-A), ale stała się wyraźna po enzymatycznym usunięciu grup siarczanowych przez BcSulf, ortolog wcześniej scharakteryzowanej sulfatazy BT_3349 z B. thetaiotaomicron. Parametry kinetyczne BcPL35 na chemicznie odsiarczowanym chondroitynie (cCH) wynosiły k_cat=15,6 min^-1 i K_m=5,8 mg ml^-1, co daje k_cat/K_m na poziomie 2,7 ml mg^-1 min^-1.

Analiza strukturalna BcPL35 ujawniła budowę dwudomenową składającą się z toroidu (α/α)₆ połączonego z domeną antyrównoległej β-kartki. Interfejs między tymi domenami charakteryzuje się głębokim rowkiem zawierającym przypuszczalny aparat katalityczny. Architektura rowka sugeruje rozpoznawanie substratu w sposób endo, co jest zgodne z produkcją oligosacharydów o stopniu polimeryzacji od dwóch do sześciu. Badacze zidentyfikowali kluczowe reszty aminokwasowe w centrum aktywnym: R76, E228, Y232, H387, Y413 i W419. Mutacje tych reszt do alaniny potwierdziły ich istotną rolę w katalizie.

Kolejnym ważnym elementem odkrytego szlaku enzymatycznego jest BcGH88, egzo-uronylohydrolaza, która działa na produkty wygenerowane przez BcPL35. Enzym ten hydrolizuje nienasycone reszty glukuronylowe na nieredukującym końcu, uwalniając 5-keto-4-deoksyuronian. BcGH88 wykazywał aktywność wobec CSΔ0S i CSΔ6S z wartościami k_cat/K_m odpowiednio 1,38 i 1,31 s^-1 mM^-1, podczas gdy efektywność wobec ΔHA i CSΔ4S była około 10-krotnie niższa.

Czy nowe odkrycia redefiniują rolę enzymów w przewodzie pokarmowym?

Przełomowym odkryciem było zidentyfikowanie aktywności enzymu pierwotnie klasyfikowanego jako przedstawiciel rodziny glikozydaz GH154. Wbrew wcześniejszym przypuszczeniom, białko to nie wykazywało aktywności glikozydazy, lecz działało jako dehydrataza kwasu glukuronowego (BcGDH), przekształcająca terminalny β-1,4-połączony GlcA w terminalny Δ4,5-nienasycony kwas uronowy, czyniąc go substratem dla BcGH88. Odkrycie to zamyka cykl i pozwala na cykliczną ścieżkę depolimeryzacji produktów rozszczepienia BcPL35 o dowolnej długości lub dowolnego fragmentu chondroitinu z nieredukującym końcem GalNAc lub GlcA.

Struktura krystaliczna BcGDH ujawniła dobrze zorganizowany tetramer w jednostce asymetrycznej. Analiza powierzchni BcGDH pod kątem zachowania w rodzinie ujawniła, że reszty w szczelinie są wysoce konserwowane i prawdopodobnie tworzą centrum aktywne. Badacze zaproponowali dwustopniowy mechanizm katalityczny dehydratacji liazy, który wykorzystując dwie katalityczne reszty tyrozyny, przypomina mechanizm liazy alginianu.

Czwartym enzymem w odkrytym szlaku jest BcGH109, który wykazuje aktywność α/β-N-acetylogalaktozaminidazy. Aktywność ta jest zgodna z wszystkimi wcześniejszymi przykładami rodziny, które są klasyfikowane jako N-acetylogalaktozaminidazy, często z aktywnością zarówno wobec α-, jak i β-N-acetylogalaktozoaminy. Sugeruje to, że rolą BcGH109 może być odcięcie terminalnej β-1,3-połączonej GalNAc pozostałej po aktywności BcGH88 na tetra- lub heksasacharydowych produktach BcPL35.

Jak wyniki badań wpływają na przyszłe terapie chorób jelit?

Zaproponowany szlak degradacji chondroitynu wykorzystuje niezwykły cykl, który łączy dehydratazę z egzo-uronylohydrolazą, w tym przypadku GH88, do usunięcia nieredukującej końcowej reszty uronianu. Taki mechanizm zaobserwowano wcześniej tylko w degradacji ulwanu, gdzie P29_PDnc, dehydrataza niespokrewniona z BcGDH na poziomie sekwencji aminokwasów, jest sparowana z egzo-uronylohydrolazą GH105. Rodzina białek, do której należy BcGDH, zawiera ponad 6000 członków, co sugeruje, że ten model usuwania cukrów uronianowych może być szeroko rozpowszechniony.

Odkrycia te mają istotne implikacje kliniczne. Zmieniona obfitość określonych proteoglikanów i związanych z powierzchnią GAG odgrywa kluczową rolę w zapalnych chorobach jelit. Bacteroides, w tym B. caccae, mogą rozkładać liczne źródła glikanów, w tym GAG, które mogą wykorzystywać jako jedyne źródło węgla. Biorąc pod uwagę prewalencję rodzaju Bacteroides w mikrobiomie jelitowym człowieka, jego preferencję dla GAG jako źródła składników odżywczych oraz zdolność do generowania SCFA z GAG, zrozumienie molekularnych podstaw degradacji tych substratów ma fundamentalne znaczenie dla opracowania nowych strategii terapeutycznych w chorobach zapalnych jelit.

Co istotne, BcPUL25 nie zawiera genu kodującego sulfatazę specyficzną dla siarczanu chondroityny, ale zawiera geny kodujące białka podobne do M60, które są przypuszczalnymi O-glikopeptydazami. Możliwe, że BcPUL25 współpracuje z enzymami produkowanymi z innych genów kontrolowanych ko-transkrypcyjnie, przy czym gen kodujący BcSulf (CGC64_04290) jest logicznym kandydatem, który umożliwiłby przynajmniej niektórym gatunkom siarczanu chondroityny (np. CS-A) bycie substratem dla BcPUL25. Obecność przypuszczalnych O-glikopeptydaz sugeruje jednak bardziej złożony cel dla BcPUL25, potencjalnie ukierunkowany na proteoglikany, gdzie siarczan chondroityny jest kowalencyjnie przyłączony do szkieletu białkowego.

Podsumowując, te przełomowe odkrycia rzucają nowe światło na metabolizm GAG przez bakterie, szczególnie członków mikrobiomu jelitowego, i potencjalnie reklasyfikują GH154 jako nową rodzinę dehydrataz. Zrozumienie tych mechanizmów może prowadzić do opracowania nowych strategii terapeutycznych ukierunkowanych na modulację mikrobioty jelitowej w chorobach zapalnych jelit i innych schorzeniach związanych z zaburzeniami mikrobiomu.

Podsumowanie

Bakterie z rodzaju Bacteroides, stanowiące istotny składnik mikrobiomu jelitowego, posiadają wyjątkową zdolność do rozkładu glikozaminoglikanów (GAG). Naukowcy zidentyfikowali kluczowy enzym BcPL35, który wykazuje preferencję do niesulfatowanego chondroitinu. W procesie degradacji GAG uczestniczą również inne enzymy: BcGH88 (egzo-uronylohydrolaza), BcGDH (dehydrataza kwasu glukuronowego) oraz BcGH109 (N-acetylogalaktozaminidaza). Odkryto unikalny cykl enzymatyczny łączący dehydratazę z egzo-uronylohydrolazą, który może być powszechny w świecie bakterii. Rozkład GAG prowadzi do powstania krótkołańcuchowych kwasów tłuszczowych (SCFA), wpływających na zdrowie okrężnicy. Zrozumienie tych mechanizmów ma kluczowe znaczenie dla rozwoju nowych strategii terapeutycznych w chorobach zapalnych jelit.