Обнаружен основной фермент производства водорода в здоровом кишечнике

Молекулярный водород (H₂) — важное промежуточное соединение в процессах пищеварения. Бактерии кишечника гидролизуют и ферментируют углеводы пищи до короткоцепочечных жирных кислот и большого количества газообразного H₂, который затем потребляется другими микроорганизмами для сохранения энергии и фиксации углерода. Цикл H₂ также модулирует уровни важных метаболитов, включая сероводород и желчные кислоты, которые влияют на пищеварение, воспаление и канцерогенез. Также предполагается, что H₂ способен оказывать непосредственное антиоксидантное действие на клетки человека. Нарушение баланса между бактериями, продуцирующими и потребляющими H₂, связывают с рядом заболеваний кишечника. Однако о механизмах и микроорганизмах, контролирующих производство H₂ в кишечнике человека, до сих пор мало известно.

Исследователи из Австралии и коллабораторы изучили цикл H₂ в здоровом кишечнике и при патологиях. Для этого они провели комплексный анализ количества, уровней транскрипции и распределения генов гидрогеназ. Исследование 300 метагеномов стула человека показало, что гены гидрогеназ чрезвычайно распространены (в среднем 1,44 копии на геном, cpg). При этом чаще всего встречались гены, кодирующие функционально не охарактеризованную [FeFe]-гидрогеназу группы В (в среднем 0,75 cpg). Эти гены встречались гораздо чаще, чем гены, кодирующие ферродоксин-зависимую [FeFe]-гидрогеназу группы А1 (0,10 cpg), которая ранее считалась основным продуцентом H₂ в кишечнике. Анализ 78 парных метатранскриптомов подтвердил, что гены [FeFe]-гидрогеназы группы В еще и наиболее активно транскрибируются.

Чтобы убедиться, что эти данные справедливы для всей кишечной среды, а не только для стула, ученые проанализировали метагеномы, полученные при анализе микроорганизмов из биопсии слизистой оболочки подвздошной, слепой и прямой кишки. Они подтвердили, что [FeFe]-гидрогеназа группы В была самой распространенной гидрогеназой.

Определив доминирующий ген, ученые установили, какие именно микроорганизмы его кодируют. Оказалось, что гены [FeFe]-гидрогеназы группы В широко распространены среди кишечных бактерий, особенно в доминирующих типах Firmicutes, Bacteroidetes и Actinobacteria. Однако наибольшее количество прочтений было отнесено к роду Bacteroides. Это стало важным открытием, поскольку род Bacteroides ранее не считался ключевым продуцентом H₂ в кишечнике.

Чтобы подтвердить активность фермента, исследователи провели эксперименты с 19 филогенетически разнообразными изолятами, 13 из них кодировали [FeFe]-гидрогеназу группы В и почти все производили H₂. В частности, семь изолятов Bacteroides производили много H₂. Транскриптомный анализ подтвердил, что ген [FeFe]-гидрогеназы группы В экспрессировался на высоком уровне во время роста бактерий, демонстрируя, что производство H₂ является важной особенностью Bacteroides.

Ученые использовали AlphaFold2 и показали, что [FeFe]-гидрогеназа группы В структурно отличается от канонической [FeFe]-гидрогеназы группы А1 и содержит каталитический H₂-связывающий Н-кластер и небольшой ферредоксин-подобный домен с коротким гибким линкером.

Исследователи сравнили количество генов гидрогеназ в метагеномах стула 871 здорового человека и 790 пациентов с хроническими заболеваниями, уделив особое внимание болезни Крона (БК). Они показали, что генов [FeFe]-гидрогеназы группы В было значительно меньше у пациентов с БК по сравнению со здоровыми людьми (0,56 cpg против 0,72 cpg). Одновременно становилось больше других гидрогеназ, таких как [FeFe]-гидрогеназа группы А1 и [NiFe]-гидрогеназа группы 4а. Также было выявлено увеличение количества генов респираторной [NiFe]-гидрогеназы группы 1d, что указывает на повышенную способность к окислению H₂. Подобное обогащение [FeFe]-гидрогеназы группы А1 по сравнению с [FeFe]-гидрогеназой группы В было отмечено и при других хронических заболеваниях, включая цирроз печени, колоректальный рак и атеросклероз.

Ученые пришли к выводу, что [FeFe]-гидрогеназа группы В является основным драйвером производства H₂, а род Bacteroides играет гораздо более важную роль в этом цикле, чем считалось ранее. Сдвиг в составе гидрогеназ с истощением [FeFe]-гидрогеназы группы В и обогащением [FeFe]-гидрогеназы группы А1, наблюдаемый при БК и других хронических состояниях, может указывать на потерю водородного гомеостаза.

Время прохождения пищи по ЖКТ и pH дирижируют «симфонией» микробиома