Кишечный микробиом влияет на гликозилирование белков мозга

Состав микробиоты кишечника способен менять поведение и физиологию мозга, но способы этого воздействия охарактеризованы не полностью. Одним из механизмов, как выяснили ученые из Германии, служит гликозилирование белков. «Известно, что микробиомы кишечника могут влиять на функционирование нейронов, но молекулярные детали этого во многом неизвестны, — объясняет доктор Клемент Потель, первый автор статьи. — Гликозилирование участвует во многих процессах, таких как нейротрансмиссия и аксональное наведение, поэтому мы хотели выяснить, служит ли оно механизмом, с помощью которого кишечные бактерии влияют на молекулярные пути в мозге».

Исследователи разработали метод гликопротеомики, который они назвали DQGlyco. Он позволяет количественно анализировать динамику гликозилирования белков с высокой чувствительностью и производительностью. Образцы белков, полученные из клеточного лизата, обогащали на интактные гликопептиды, чтобы затем провести протеомный анализ методом жидкостной хроматографии c тандемной масс-спектрометрией (LC-MS/MS). Масс-спектрометрию для протеомики оптимизировали, настраивая сканирование на гликопептиды, — благодаря этому количество идентифицированных в образце N-гликопептидов возросло на 18%, а специфичность обогащения на 13% по сравнению с использованием обычного диапазона сканирования. При анализе клеточных линий человека (HeLa и HEK293T) метод выявлял в среднем 10 294 уникальных гликопептида, 1 746 сайтов гликозилирования и 774 гликопротеина.

В образцах мозга мыши авторы идентифицировали 16 090 уникальных N-гликопептидов, 2 431 сайта гликозилирования и 1 057 гликопротеинов. Чтобы увеличить покрытие гликопротеома в этих образцах и улучшить разделение гликанов, ученые также модифицировали хроматографический этап — они использовали разделение на пористом графите перед обращенно-фазовой хроматографией. Благодаря этому качество идентификации возросло более чем в 25 раз: анализ выявил 177 198 уникальных гликопептидов, 8 245 сайтов гликозилирования и 3 741 гликопротеинов.

Полученные данные охватывали 65% известных белков мозга мыши, аннотированных как гликозилированные в UniProt, однако только для 6% идентифицированных сайтов и белков гликозилирование было подтверждено экспериментально.

Расширив информацию об N-гликопротеоме мозга мыши, авторы занялись менее распространенными в клетках млекопитающих O-гликопептидами. Они предположили, что глубокое покрытие гликопротеома, обеспечиваемое DQGlyco, позволит одновременно идентифицировать N- и О-гликопептиды. Анализ выявил в образцах мозга мыши 32 287 О-гликопептидов, которые относились к 3 450 О-гликопротеинам.

Учитывая важность гликозилирования для функций нейронов и тот факт, что микробиом способен влиять на работу мозга, авторы решили оценить влияние микробного сообщества кишечника на гликопротеом мозга. Они провели опыты на мышах, лишенных микробиоты (germ-free mice). Кишечник животных колонизировали Bacteroides uniformis — одним из наиболее распространенных микроорганизмов кишечника человека, — или сообществом из восьми типичных для человека видов бактерий. Контрольную группу оставили без микробиоты. Спустя две недели исследователи количественно оценивали изменения в количестве белков и уровнях гликоформ. В протеоме менялся уровень 303 из 10 865 белков, в гликопротеоме — 2 575 из 45 724 гликопептидов (482 гликопротеинов). Анализ главных компонент (PCA) четко разделил мышей на три группы, что указывает на роль кишечной микробиоты в ремоделировании гликопротеома мозга.

Среди белков, на уровень которых повлиял микробиом кишечника, было много митохондриальных — это согласуется с данными о взаимодействии микробиома кишечника и митохондрий. Гликозилирование менялось, в частности, у рецепторных белков (13 из них участвовали в распознавании глутамата, еще 6 — ГАМК). Также изменения затронули белки, участвующие в аксональном наведении. Хотя это не доказывает функциональность перемен в гликозилировании напрямую, авторы предполагают, что наблюдаемое воздействие микробиоты на белки мозга может быть связано с биологическими изменениями, и планируют продолжать исследования в этом направлении.

Расшифрован молекулярный код, определяющий специфическое гликозилирование белка

Микробиом кишечника регулирует «функциональную архитектуру» расстройств аутистического спектра