Forskare avslöjar kommunikation mellan arter mellan tarmbakterier och värd

Bakterier i tarmen gör mycket mer än att hjälpa till att smälta mat i magen hos sina värdar, de kan också berätta för generna i deras däggdjursvärdar vad de ska göra.

En studie publicerad idag i Cell beskriver en form av "mellanartskommunikation" där bakterier utsöndrar en specifik molekyl-kväveoxid-som gör att de kan kommunicera med och kontrollera värdarnas DNA, och föreslår att samtalet mellan de två i stort kan påverka människors hälsa.

Forskarna från Case Western Reserve University School of Medicine, University Hospital Cleveland Medical Center, och Harvard Medical School spårade kväveoxid som utsöndras av tarmbakterier inuti små maskar (C. elegans, en vanlig däggdjurs laboratoriemodell). Kväveoxid som utsöndras av tarmbakterier fästa vid tusentals värdproteiner, helt förändra en mask förmåga att reglera sitt eget genuttryck.

Studien är den första som visar att tarmbakterier kan ta sig an kväveoxidnätverk som finns överallt hos däggdjur, inklusive människor. Kväveoxid fäster till mänskliga proteiner på ett noggrant reglerat sätt-en process som kallas S-nitrosylering-och störningar är i stort sett inblandade i sjukdomar som Alzheimers, Parkinsons, astma, diabetes, hjärtsjukdom, och cancer.

Fynden tyder på att kväveoxid är en allmän mekanism genom vilken tarmbakterier kan kommunicera med däggdjursvärdar. Tidigare arbete med att avveckla kommunikationslinjer till och från tarmbakterier har främst fokuserat på sällsynta molekyler som bakterier utsöndrar. De nya fynden liknar att avslöja ett kemiskt språk som är vanligt för alla arter, i motsats till enstaka ord, sa seniorförfattaren Jonathan Stamler, MD, chef för Institute for Transformative Molecular Medicine vid Case Western Reserve University School of Medicine och ordförande för Harrington Discovery Institute vid University Hospitals Cleveland Medical Center. "Det finns en enorm komplexitet i tarmen, och många forskare är ute efter nästa ovanliga ämne som produceras av en bakterie som kan påverka människors hälsa, "säger han. Med biljoner bakterier i den genomsnittliga tarmen, Stamler bestämde sig för att leta efter ett gemensamt språk som alla bakteriearter kan använda. "Tarmbakteriepopulationens enorma storlek och dess relation till värden förutspår att det kommer att finnas allmänna sätt att kommunicera som vi människor kan känna igen."

Forskarna demonstrerade fenomenet genom att mata utvecklande maskmaskbakterier som producerar kväveoxid. De valde sedan ett mycket viktigt protein-argonautprotein, eller ALG-1-som är mycket bevarad från maskar till människor och tystnar onödiga gener, inklusive gener som är kritiska för utveckling. När kväveoxid utsöndras av bakterierna fästa vid ALG-1, de utvecklade missbildade reproduktionsorgan och dog. För mycket kväveoxid från bakterier styrde maskarnas DNA -tystande proteiner och försämrade hälsosam utveckling.

"Praktiskt taget, djur kommer inte att låta detta hända, Sa Stamler. författarna spekulerar i att en däggdjursvärd utanför en laboratoriemiljö kommer att anpassa sig för att rymma förändrade kväveoxidnivåer. Sa Stamler, "Masken kommer att kunna sluta äta bakterierna som gör kväveoxiden, eller det kommer att börja äta olika bakterier som gör mindre kväveoxid, eller ändra sin miljö, eller otaliga andra anpassningar. Men på samma sätt, för mycket kväveoxid som produceras av vårt mikrobiom kan orsaka sjukdomar eller utvecklingsproblem hos fostret. "

Studien lägger till en växande mängd bevis på att bakterier som lever i tarmen, bestäms av kost och miljö, har ett enormt inflytande på däggdjurs hälsa. Stamler föreställer sig att kväveoxid kan representera ett tillfälle att manipulera detta symbiotiska förhållande. Precis som probiotika är utformade för att förbättra matsmältningen, att inokulera en persons tarm med bakterier för att förbättra kväveoxidsignaleringen är tänkbar. "Jag tänker nu på detta terapeutiskt, som ett läkemedel. Det finns enorma möjligheter att manipulera kväveoxid för att förbättra människors hälsa. "

Medan kväveoxid och S-nitrosylering kan vara ett allmänt sätt för kommunikation mellan arter med stora hälsoimplikationer, det kommer att kräva ytterligare framtida forskning. Kommer kväveoxid att vara den enda kemiska kommunikationskanalen? "Vi ser i princip ett nytt fält som öppnar för allmänna kommunikationsstrategier, "säger Stamler." Det kommer att finnas andra. "

• ICHE:s recensioner om kirurgiska infektioner,
• AGA tillkännager 10 tidiga karriärläkare-forskare för nya FORWARD-programmet