Bacteriile intestinale sănătoase care se hrănesc cu zahăr, analizate pentru prima dată

©

Autor:

Bacteriile intestinale sănătoase care se hrănesc cu zahăr, analizate pentru prima dată

Mediul intestinal uman găzduiește o comunitate densă de microorganisme, iar la nivelul colonului, un aspect esențial pentru sănătatea gazdei îl reprezintă bariera mucoasă, constituită în principal din mucine. Aceste mucine sunt glicoproteine în care aproximativ 80% (din greutatea uscată) este reprezentat de O-glicani. Ei conțin doar cinci tipuri de monozaharide (printre care galactozamina, galactoza, fucaza, sialicul ș.a.), dar diversitatea legăturilor și posibilele situsuri de sulfare generează un grad mare de heterogenitate structurală. Echilibrul dintre producția și degradarea de mucine la nivel colonic este foarte important: tulburările acestui echilibru se asociază cu stări patologice, inflamații și modificări ale compoziției microflorei. Printre bacteriile interesate în degradarea mucinelor, Akkermansia muciniphila atrage atenția prin caracterul ei de „mucinofil”, fiind asociată cu o stare de sănătate mai bună atunci când este prezentă în cantități adecvate. În acest studiu, cercetătorii au investigat sistematic enzimele carbohidrat-active (CAZyme) produse de Akkermansia muciniphila și modul în care aceste enzime degradează complet O-glicanii mucinelor.
Stratul de mucus de la suprafața epiteliului intestinal joacă un dublu rol, protectiv (blocând invazia microbiană și menținând homeostazia) și nutrițional (oferind un substrat pentru anumite bacterii capabile să degradeze mucinele). Cercetările anterioare au arătat că numeroase specii microbiene din intestin pot accesa mucinele ca sursă de carbon, însă mecanismele exacte prin care o fac rămân incomplet înțelese. În particular, A. muciniphila este considerată un organism „specializat”, trăind în strânsă asociere cu bariera mucoasă. Se cunoaște faptul că modificările patogene la nivelul mucoasei intestinale sunt asociate cu perturbări ale populațiilor de bacterii care degradează mucine.

Din punct de vedere biochimic, mucinele conțin lanțuri polizaharidice legate O-glicanic de nucleul proteic (polipeptidic). Aceste lanțuri includ legături variate (α, β) între reziduurile monosaharidice, precum și pattern-uri distincte de sulfare și fucosilare. Studiile efectuate pe genele codificatoare de enzime carbohidrat-active (CAZymes) la A. muciniphila au arătat deja existența unor families GH (glicozide hidrolaze), families PL (polizaharid liaze), families sulfataze și altele, care pot viza în mod specific „capetele” acestor O-glicani (monozaharidele α), legăturile endo din polizaharidele centrale și așa mai departe. Totuși, o caracterizare sistematică a întregului arsenal enzimatic la această bacterie nu fusese realizată până la studiul de față.

Obiectivul major al cercetării publicate în jurnalul Nature Microbiology a fost să elucideze mecanismele prin care A. muciniphila poate “demonta” complet O-glicanii din mucine până la polipeptid și monozaharide libere. Autorii au selectat o serie de carbohidrați complecși care apar frecvent în glicanii mamiferi (inclusiv substanțe asemănătoare mucinelor – de pildă, mucina porcină – porcine gastric mucin III, PGMIII), glicozaminoglicani (GAG), oligozaharide tip Forssman, oligozaharide din laptele uman (HMO) și diverse structuri de grup sanguin (A, B, Forssman) pentru a testa activitatea fiecărei clase de enzime CAZyme prezente în genomul A. muciniphila. Metodologia a inclus:

  • RNA-seq pe culturi crescute cu mucină porcină pentru a observa genele puternic exprimate.
  • Analize bioinformatice (pangenom, filogenie) pentru a înțelege distribuția enzimelor la diferite tulpini/specii de Akkermansia.
  • Teste cu celule intacte (whole-cell assays) și reacții cu enzime purificate pentru a vedea ce fragmente eliberează bacteria și la ce etapă apare eliberarea anumitor monozaharide (GalNAc, fucază, galactoză, sialic ș.a.).
  • Identificarea produselor de reacție prin TLC (thin-layer chromatography), apoi procainamide-labelling și LC–MS (cromatografie lichidă cu detecție fluorescentă și spectrometrie de masă).


Scopul final a fost să se traseze pașii concreți ai secuenței de degradare, să se identifice enzimele care lucrează în ordine (endo-hidrolaze, exo-glicozidaze, sulfataze) și să se formuleze un model biochimic coerent al utilizării mucinei de către A. muciniphila.

Rezultate

1. Confirmarea preferinței pentru mucine

Au fost efectuate experimente de creștere in vitro, iar A. muciniphila s-a dezvoltat în principal pe surse de mucină, ceea ce confirmă că mucina reprezintă substratul major pentru carbon și azot în cazul acestei specii

2. Identificarea enzimelor implicate

Analiza de tip RNA-seq la culturi crescute pe PGMIII (mucina porcină) a arătat o expresie crescută pentru 20 de gene CAZymes și 4 gene de sulfataze, incluzând familii de glicozide hidrolaze (GH2, GH16, GH20, GH27, GH29, GH36, GH89, GH95, GH97, GH105, GH109, GH123). Unii membri ai acestor familii (GH16) au rol endo (taie lanțurile polizaharidice “din interior”), iar altele (GH2, GH29, GH95 ș.a.) exercită funcții exo-hidrolazice, eliminând monozaharide terminale (fucază, sialic, galactoză, GalNAc etc.).

3. Degradarea completă a O-glicanilor, inclusiv până la GalNAc legat la peptide

O descoperire importantă este existența unor enzime capabile să taie până la nivelul nucleului de GalNAc atașat pe peptidă. Au fost studiate mai ales:
  • Amuc_1008GH31 – responsabil pentru îndepărtarea ultimului monosacharid (GalNAc α-legat la polipeptid). Această enzimă necesită prezența a minimum doi aminoacizi (deci nu recunoaște singurul rest Tn-antigen).
  • GH36 și GH109 – îndepărtează capping-ul de tip α-GalNAc, inclusiv antigenul grupului A și diferite structuri α-legare de GalNAc.
  • GH110 – în cazul subfamiliei identificate la Akkermansia, prezintă specificitate pe structurile B din grupul sanguin (α1,3-Gal).
  • GH27, GH36, GH97 – vizează legături α-Galactoză diverse, ex. Forssman antigen, Galili antigen și așa mai departe.


Astfel, combinația acestor enzime asigură eliminarea tuturor reziduurilor terminale și ulterior accesul la lanțurile “de bază” (Gal-GlcNAc repetate). Rând pe rând, A. muciniphila deconstruiește fiecare strat al O-glicanului.

4. Enzime exo- și endo- pentru nuclee polizaharidice

O componentă esențială în “demontarea” mucinelor o reprezintă endo-hidrolazele GH16, care taie în regiunile polilacto-N-biozice, generând fragmente O-glican intermediare. Apoi, fucosidazele, β-galactozidazele (din GH2, GH35, GH43_24) și β-N-acetilhexozaminidazele (din GH20, GH123) procesează disacharidele sau oligozaharidele rămase.

 

  • β-galactozidazele din GH2, GH35 pot fi larg specificate sau înguste (ex. Amuc_0290GH2 hidrolizează o varietate mare de substraturi, în timp ce Amuc_0539GH2 este strict pentru β1,4-Gal cu rezidu +1 anume).
  • β-HexNAcase (GH20, GH3, GH84, GH123) – multiple tipare de specificitate. Unele atacă direct GlcNAc, altele pot taia și GalNAc, iar unele necesită îndepărtarea prealabilă a fucosei sau sulfatului.

5. Rolul sulfatazelor

Autorii au identificat 12 gene candidate pentru sulfataze, din care au validat șapte subfamilii. Aceste sulfataze pot cliva grupările sulfat de pe poziția 4 sau 6 pentru reziduurile de Gal, GalNAc și GlcNAc, fiind astfel esențiale în deblocarea enzimatica a unor situsuri cu sulfați (de ex. structuri Lewis sulfatate). Observațiile sugerează o ordine foarte strictă de acțiune: întâi se îndepărtează anumite fucaze, apoi pot acționa sulfatazele, după care intervin β-galactozidazele și β-HexNAcase.

Observații suplimentare

  • A. muciniphila nu s-a dezvoltat direct pe glicozaminoglicani (GAG) precum heparina, însă unele enzime (Amuc_0778PL38, Amuc_0863GH105) arată activitate față de GAG-uri (ex. condroitin sulfat). Bacteria nu folosește aceste GAG-uri drept sursă majoră de carbon, ci doar are instrumentele enzimatice pentru a le ataca.
  • Pe un N-glicoprotein cu conținut ridicat de manoză, bacteria a folosit componenta proteică, lăsând neschimbată partea N-glicană. Deci accesul la O-glicani (mucine) e preferențial.
  • Nu s-au găsit activități pentru anumite familii (GH13, GH77) în condițiile acestui studiu, cel mai probabil acestea vizează polimeri de glucoză (amidon) sau alte substraturi care nu apar la mucoasa colonică.


Concluzii


Studiul demonstrează cu claritate că A. muciniphila posedă un arsenal complex de CAZyme care îi permite să degradeze treptat O-glicanii din mucine până la forma finală, inclusiv eliberarea reziduurilor de GalNAc la nivel de peptidă. Datele sugerează un proces cu multiple etape, în care enzimele endo (GH16) fragmentează lanțurile lungi, apoi exo-hidrolazele (GH2, GH20, GH29, GH95, GH109 etc.), împreună cu sulfatazele, elimină toate decorațiile monozaharidice, inclusiv sulfații și fucazele. Enzima Amuc_1008GH31 finalizează apoi îndepărtarea GalNAc din nucleul peptidic.

 

Prin acest efort, cercetătorii au oferit o viziune amplă, la nivel molecular, despre modul în care A. muciniphila descompune mucinele intestinale. Concluziile oferă indicii importante pentru înțelegerea interacțiunilor microorganism-gazdă la nivelul mucoasei, cu aplicații potențiale în investigarea stării de sănătate și a patologiilor inflamatorii sau neoplazice asociate colonului.


Data actualizare: 04-02-2025 | creare: 04-02-2025 | Vizite: 52
Bibliografie
Bakshani, C. R., et al. (2025). Carbohydrate-active enzymes from Akkermansia muciniphila break down mucin O-glycans to completion. Nature Microbiology. doi.org/10.1038/s41564-024-01911-7.
©

Copyright ROmedic: Articolul se află sub protecția drepturilor de autor. Reproducerea, chiar și parțială, este interzisă!