Исследование потенциально может иметь последствия для здоровья человека. Бета-клетки — единственные клетки, вырабатывающие инсулин, гормон, регулирующий метаболизм сахара.
Недостаток выработки инсулина связан с диабетом 1 типа, аутоиммунным заболеванием, которым страдают около 1 человека.5 миллионов человек в США.S.
Исследование появилось в статье, опубликованной в декабре. 13 в журнале открытого доступа eLife.
Исследование демонстрирует роль в развитии сообществ бактерий и других микробов — микробиоты — в телах животных в развитии, сказала соавтор Карен Гийемин, биолог из UO.
По ее словам, понимание того, как микробиота влияет на развитие бета-клеток, которые теряются у пациентов с диабетом 1 типа, в конечном итоге может привести к новым диагностическим, профилактическим и терапевтическим подходам к этому заболеванию.
«Мы понимаем, что микробиом является богатым источником для открытия новых биомолекул, которые обладают огромным потенциалом для управления и улучшения нашего здоровья», — сказал Гийемен, профессор кафедры биологии Университета штата Калифорния и Института молекулярной биологии. Она также является директором Центра системной биологии МЕТА при UO.
Используя беспроблемных рыбок данио в качестве модели, ведущий автор и докторант Дженнифер Хэмптон Хилл исследовала возможность того, что определенные кишечные бактерии необходимы поджелудочной железе, чтобы заселить себя значительным количеством бета-клеток во время развития.
Она обнаружила, что в течение первой недели жизни у беспроблемных рыб не происходило такое же увеличение бета-клеток, как у рыб, выращенных традиционным способом. Однако воздействие на стерильную рыбу определенными бактериями восстановило массу бета-клеток до нормального уровня. Это восстановление стало основой для ее поиска и окончательного открытия нового бактериального белка, который сам по себе может стимулировать рост клеток, продуцирующих инсулин.
«Исследование предполагает, что животные полагаются на реплики и сигналы микробных сообществ, населяющих их тела, и что они важны для очень сложных этапов развития», — сказал Хэмптон Хилл. "Приятно думать, что бактерии могут играть такую важную роль в процессе, который так важен для гомеостаза, для способности регулировать метаболизм глюкозы."
«Это новая идея, что микробиом может быть источником сигналов для развития поджелудочной железы», — сказал Гийемин. "Это первый случай, когда кто-либо установил связь между микробиомом и развитием бета-клеток."
Ученые расширяют свое понимание того, как микробы, связанные с хозяином, влияют на развитие кишечника и иммунной системы, но формирующая роль микробов в других пищеварительных органах, таких как поджелудочная железа, остается малоизученной областью, говорят исследователи.
UO является лидером в исследованиях рыбок данио с 1960-х годов, когда биолог Джордж Стрейзингер впервые применил новый метод изучения развития и генетики позвоночных, представив мелкую рыбу в качестве модельного организма. За последние 15 лет Гийемен и его коллеги разработали методы выращивания рыбок данио без микробов, позволяющие им задаться вопросом, что происходит, когда животные развиваются в отсутствие микробов.
Использование стерильных рыбок данио позволило Хэмптон-Хиллу систематически проводить скрининг кишечных бактерий, которые могут стимулировать пролиферацию бета-клеток. Затем она сосредоточилась на одной бактерии из этой группы и исследовала секретируемые ею белки на предмет активности по увеличению бета-клеток.
Эти усилия привели к составлению списка из 163 предполагаемых белков.
Затем она обратилась к последовательностям генома ранее проверенных бактерий и спросила, какие из предполагаемых белков разделяются бактериями, увеличивающими бета-клетки, и отсутствуют у инертных бактерий. Ее критерии вернули только один белок-кандидат, который никогда не изучался. Когда она сделала его очищенную версию и добавила в свою рыбу без микробов, популяция бета-клеток расширилась, благодаря чему белок получил название Beta Cell Expansion Factor A или BefA.
Знание молекулярной идентичности BefA позволило исследователям искать его последовательность в других бактериальных геномах. Они обнаружили, что он присутствует в нескольких распространенных бактериях, ассоциированных с кишечником человека. Когда Хэмптон-Хилл очистил два из этих родственных белков от человеческих бактерий, они оказались одинаково эффективными при стимуляции размножения бета-клеток у рыбок данио.
«Мы потратили много лет на сбор и исследование кишечных бактерий рыбок данио, и было приятно, что мы смогли использовать все эти знания при открытии BefA», — сказал Гийемин.
Обнаружение того, что определенные кишечные бактерии производят белки, которые стимулируют развитие бета-клеток, проливает новый свет на эпидемиологические данные, связывающие малоразнообразные детские микробиомы с повышенным риском диабета 1 типа.
Возможно, сказали Гийемин и Хэмптон Хилл, микробиомы с низким разнообразием менее способны стимулировать рост бета-клеток в раннем возрасте, что оставляет детям мало буфера, если их иммунная система подвергнется атаке.
Следствием исследования, по словам Гиймена, является важность содействия развитию здорового микробиома у детей — например, путем поощрения грудного вскармливания и недопущения чрезмерного использования антибиотиков.
По ее словам, необходимы дополнительные исследования, чтобы определить механизм, с помощью которого белки BefA влияют на развитие бета-клеток, и имеют ли белки такой же эффект у других животных, включая человека. «В конечном итоге мы хотели бы объединиться с исследователями, изучающими диабет 1 типа, чтобы рассмотреть возможность разработки молекул, связанных с BefA, в качестве потенциальных терапевтических средств."