Описан механизм участия бифидобактерий кишечника в работе иммунной системы
Бифидобактерии — древнейшие и крайне важные компоненты микробиоты кишечника животных и человека. Российские ученые впервые идентифицировали и охарактеризовали рецепторы бифидобактерий, обеспечивающие их взаимодействие с цитокинами, сигнальными молекулами иммунной системы. Примечательно, что рецепторы разных видов бифидобактерий отличаются по своей способности связывать цитокины.
Представители рода Bifidobacterium — одни из древнейших и наиболее значимых компонентов микробиоты кишечника. Они сопровождают человека с первых дней жизни, играя важную роль в формировании и поддержании гомеостаза иммунной системы. В частности, виды Bifidobacterium longum и B. bifidum — основные обитатели кишечника новорожденного ребенка, участвующие в развитии его иммунной системы. Бифидобактерии играют важную роль в балансе провоспалительных и противовоспалительных цитокинов (сигнальных молекул, опосредующих иммунный ответ). Нарушение этого баланса приводит к заболеваниям. Предполагалось, что бифидобактерии воздействуют на цитокины, связываясь с ними при помощи специфических белков, но конкретный механизм до сих пор был неизвестен.
Ранее было показано, что у бифидобактерий имеется оперон PFNA, состоящий из пяти генов, среди которых ген fn3, кодирующий трансмембранный белок FN3. Этот белок обеспечивает адгезию бактерий к эпителию кишечника. Белок FN3 имеет большой размер; ближе к хвостовой части в нем расположены два функциональных домена. В каждом из доменов присутствуют аминокислотные мотивы цитокиновых рецепторов, поэтому можно предположить, что этот белок связывает цитокины. Это предположение подтвердили российские ученые. Исследование проводили Мария Георгиевна Алексеева и ее коллеги из Института общей генетики (ИОГен) РАН в сотрудничестве со специалистами Института катализа Сибирского отделения РАН и лабораторией механизмов гибели опухолевых клеток НИИ канцерогенеза НМИЦ онкологии им. Н.Н. Блохина Минздрава России. Результаты опубликованы в International Journal of Molecular Sciences,
Ученые клонировали фрагмент гена, кодирующего участок белка FN3 штамма B. longum GT15, включающий два функциональных домена и С-концевой регион (его обозначили как ΔFN3.1), а также часть гена, кодирующего такой же фрагмент белка FN3 штамма B. bifidum 791 (ΔFN3.3), и получили рекомбинантные белки. Сравнительный анализ аминокислотных последовательностей белков ΔFN3.1 и ΔFN3.3 показал, что мотивы цитокиновых рецепторов отличаются у разных видов бифидобактерий.
Авторы статьи исследовали связывание белков ΔFN3 B. longum и B. bifidum с цитокинами TNF-α, IL-6, IL-8, и IL-10. Фактор некроза опухоли (TNF-α) и интерлейкины IL-6 и IL-8 — это важнейшие провоспалительные цитокины, участвующие в защите организма от инфекций и опухолей, в то же время IL-6 считается одним из важнейших факторов «цитокинового шторма»; IL-10 – противовоспалительный цитокин.
Физическое взаимодействие ΔFN3 B.longum и B.bifidum с цитокинами оценивали при помощи кинетического анализа методом поверхностного плазмонного резонанса. Эксперимент показал, что белки двух видов бифидобактерий отличаются по способности связывать цитокины: так, IL-6 не связывался ни с одним из белков, IL-10 — только с белком из B.longum, а TNF-α и IL-8 — с белками того и другого вида.
На следующем этапе процесс взаимодействия ΔFN3 B.longum и B.bifidum с цитокинами исследовали in silico, методами молекулярного моделирования, этим занимались София Борисевич и ее коллеги, используя возможности вычислительного центра ЦКП СКИФ (Институт катализа СО РАН). Они впервые получили трехмерные структуры бифидобактериальных белков ΔFN3.1 (B.longum) и ΔFN3.3 (B.bifidum). Это было сделано путем структурного прогнозирования de novo с применением современных серверов глубокого обучения: AlphaFold2, RoseTTAFold, I-TASSER и IntFOLD5.
Используя метод жесткого докинга белковых молекул, авторы статьи исследовали пространственное взаимодействие ΔFN3.1 и ΔFN3.3 с цитокинами TNF-α, IL-6, IL-8, и IL-10. Результаты расчета энергий связывания и констант диссоциации комплексов ΔFN3-цитокин, полученные при молекулярном моделировании, хорошо согласуются с экспериментальными данными.
Моделирование подтвердило, что области связывания цитокинов различаются для белков ΔFN3 B.longum и B.bifidum. В каждом белке удалось определить аминокислотные последовательности из мотивов цитокиновых рецепторов, которые в нем участвуют.
«Мы рассматриваем бифидобактерии как часть иммунной системы человека, — объясняет заведующий лабораторией генетики микроорганизмов ИОГен РАН профессор Валерий Даниленко. — Хорошо известно, что они синтезируют десятки белков и метаболитов, которые способны модулировать функционирование адаптивной или природной иммунной системы. Но ничего не было известно о рецепторах, которые способны взаимодействовать с цитокинами, интерлейкинами человека. В этой работе мы впервые установили для бактериальных белков, какие рецепторы и какие конкретные аминокислотные последовательности связываются с различными цитокинами».
Валерий Николаевич добавил, что это может стать основой для создания новых потенциальных лекарств, потенциальных иммуномодуляторов, или, точнее, иммуностабилизаторов. Связываясь с цитокинами, они могут устранять дисбаланс иммунного статуса при различных трансплантациях или онкозаболеваниях и т.д. Он подчеркнул, что это природоподобные лекарства, которые в отличие от чужеродных веществ, не будут вызывать значительных побочных эффектов. Видоспецифические различия в способности белков бифидобактерий связывать провоспалительные и противовоспалительные цитокины могут послужить основой для использования разных штаммов в создании персонализированных иммуномодуляторов.
текст Надежды Маркиной
Источник
Alekseeva, M.G. et al. Differential Binding of ΔFN3 Proteins of Bifidobacterium longum GT15 and Bifidobacterium bifidum 791 to Cytokines Determined by Surface Plasmon Resonance and De Novo Molecular Modeling // International Journal of Molecular Sciences, 2025, 26, 10560. DOI: 10.3390/ijms262110560