БИОХИМИЯ, 2022, том 87, вып. 3, с. 356–375

УДК 577.29

Роль гликопротеина муцин  и L‑фукозы во взаимодействии иммунитета и микрофлоры на примере экспериментальной модели воспалительных заболеваний кишечника

© 2022 В.Д. Бец 1, К.М. Ачасова 2,3, М.А. Борисова 4, Е.Н. Кожевникова 1,2,3, Е.А. Литвинова 2*litvinovaea@physiol.ru

Новосибирский государственный аграрный университет, 630039 Новосибирск, Россия

Научно-исследовательский институт нейронаук и медицины, 630117 Новосибирск, Россия

Институт молекулярной и клеточной биологии СО РАН, 630090 Новосибирск, Россия

Федеральный исследовательский центр Институт цитологии и генетики СО РАН, 630090 Новосибирск, Россия

Поступила в редакцию 10.11.2021
После доработки 24.02.2022
Принята к публикации 24.02.2022

DOI: 10.31857/S0320972522030046

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: ВЗК, макрофаги, патогены, микробиота, антибиотики, L‑фукоза, муцин 2.

Аннотация

В основе развития воспалительных заболеваний кишечника у человека лежит множество факторов. В том числе огромную роль играют дисбаланс микробиоты и истончение мукозального слоя в толстом кишечнике. Патогенные микроорганизмы также усугубляют протекание заболеваний. Было выполнено исследование роли дефицита муцина 2 в формировании микрофлоры кишечника на экспериментальной модели мышей с нокаутом гена Muc2 в присутствии инфекции Helicobacter spp. А также проведена оценка восстанавливающего и противовоспалительного эффекта пищевой L‑фукозы у мышей Muc2–/– на микрофлору и иммунитет. С этой целью у животных исследовали бактериальное разнообразие в фекалиях до и после применения антибактериальной терапии и оценивали роль пищевой L‑фукозы в её восстановлении. Для определения влияния бактериального дисбаланса и роли фукозы на иммунную систему определяли уровни мРНК генов провоспалительных цитокинов (Tnf, Il1a, Il1b, Il6) и транскрипционных факторов T‑клеток (Foxp3 – Treg, Rorc – Th17, Tbx21 – Th1) в ткани толстой кишки у мышей Muc2–/–. Значительная элиминация бактерий на фоне применения антибиотиков вызывала снижение фукозы в кишечнике, а также провоцировала снижение транскрипционного фактора Т‑регуляторных клеток (Foxp3). При добавлении к антибиотикам пищевой L‑фукозы уровень бактериальной ДНК Bacteroides spp. в фекалиях мышей Muc2–/– частично восстанавливался. В регуляции воспаления у мышей Muc2–/– участвуют Т‑регуляторные клетки. Антибиотики снижали их количество, что не позволило уменьшить воспалительный ответ на инфекцию. Фукоза, как компонент муцина 2, при антибактериальной терапии мышей Muc2–/– помогает сохранить Bacteroides spp. и восстановить биохимические показатели, но не влияет на воспалительный ответ.

Сноски

* Адресат для корреспонденции.

Финансирование

Работа выполнена за счёт средств федерального бюджета на проведение фундаментальных научных исследований (тема № АААА‑А21‑121011990039‑2 – приобретение и содержание лабораторных животных) и при поддержке Российского научного фонда (грант № 20‑64‑47020 – анализ бактерий, экспрессия иммунных показателей).

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Соблюдение этических норм

Все процедуры, выполненные в исследованиях с участием животных, соответствовали этическим стандартам учреждения, в котором проводились исследования, и утверждённым правовым актам РФ и международных организаций. Все манипуляции с животными были одобрены межинститутской комиссией по биоэтике СО РАН (номер 18.6 от 14.10.2013).

Список литературы

1. Князев О. В., Шкурко Т. В., Каграманова А. В., Веселов А. В., Никонов Е. Л. (2020) Эпидемиология воспалительных заболеваний кишечника. Современное состояние проблемы (обзор литературы), Доказательная гастроэнтерология, 9, 66-73, doi: 10.17116/dokgastro2020902166.

2. Long, M. D., Hutfless, S., Kappelman, M. D., Khalili, H., Kaplan, G. G., et al. (2014) Challenges in designing a national surveillance program for inflammatory bowel disease in the United States, Inflamm. Bowel Dis., 20, 398-415, doi: 10.1097/01.MIB.0000435441.30107.8b.

3. Камалова А. А., Сафина Э. Р., Низамова Р. А., Зайнетдинова М. Ш., Квитко Э. М. (2020) Питание при воспалительных заболеваниях кишечника у детей, Российский вестник перинатологии и педиатрии, 65, 145-151, doi: 10.21508/1027-4065-2020-65-5-145-151.

4. Ananthakrishnan, A. N. (2013) Environmental risk factors for inflammatory bowel disease, Gastroenterol Hepatol (N. Y.), 9, 367-374.

5. Wikoff, W. R., Anfora, A. T., Liu, J., Schultz, P. G., Lesley, S. A., et al. (2009) Metabolomics analysis reveals large effects of gut microflora on mammalian blood metabolites, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 106, 3698-3703, doi: 10.1073/pnas.0812874106.

6. Abrams, G. D., Bauer, H., and Sprinz, H. (1963) Influence of the normal flora on mucosal morphology and cellular renewal in the ileum. A comparison of germ-free and conventional mice, Lab. Invest. J. Tech. Methods Pathol., 12, 355-364.

7. Roswall, J., Olsson, L. M., Kovatcheva-Datchary, P., Nilsson, S., Tremaroli, V., et al. (2021) Developmental trajectory of the healthy human gut microbiota during the first 5 years of life, Cell Host Microbe, 29, 765-776.e763, doi: 10.1016/j.chom.2021.02.021.

8. Franke, A., McGovern, D. P. B., Barrett, J. C., Wang, K., Radford-Smith, G. L., et al. (2010) Genome-wide meta-analysis increases to 71 the number of confirmed Crohn’s disease susceptibility loci, Nat. Genet., 42, 1118-1125, doi: 10.1038/ng.717.

9. Hooper, L. V., Littman, D. R., and Macpherson, A. J. (2012) Interactions between the microbiota and the immune system, Science, 336, 1268-1273, doi: 10.1126/science.1223490.

10. Ivanov, I. I., Atarashi, K., Manel, N., Brodie, E. L., Shima, T., et al. (2009) Induction of intestinal Th17 cells by segmented filamentous bacteria, Cell, 139, 485-498, doi: 10.1016/j.cell.2009.09.033.

11. Ивашкин В. Т., Шелыгин Ю. А., Абдулганиева Д. И., Абдулхаков Р. А., Алексеева О. П., и др. (2015) Рекомендации Российской гастроэнтерологической ассоциации и Ассоциации колопроктологов России по диагностике и лечению взрослых больных язвенным колитом, Российский журнал гастроэнтерологии, гепатологии, колопроктологии, 1, 48-65.

12. Fox, J. G., and Lee, A. (1997) The role of Helicobacter species in newly recognized gastrointestinal tract diseases of animals, Lab. Anim. Sci., 47, 222-255.

13. Goldman, C. G., and Mitchell, H. M. (2010) Helicobacter spp. other than Helicobacter pylori, Helicobacter, 15, 69-75, doi: 10.1111/j.1523-5378.2010.00780.x.

14. Kienesberger, S., Cox, L. M., Livanos, A., Zhang, X. S., Chung, J., et al. (2016) Gastric Helicobacter pylori infection affects local and distant microbial populations and host responses, Cell Rep., 14, 1395-1407, doi: 10.1016/j.celrep.2016.01.017.

15. Kullberg, M. C., Ward, J. M., Gorelick, P. L., Caspar, P., Hieny, S., et al. (1998) Helicobacter hepaticus triggers colitis in specific-pathogen-free interleukin-10 (IL-10)-deficient mice through an IL-12- and gamma interferon-dependent mechanism, Infect. Immun., 66, 5157-5166, doi: 10.1128/iai.66.11.5157-5166.1998.

16. Shomer, N. H., Dangler, C. A., Schrenzel, M. D., and Fox, J. G. (1997) Helicobacter bilis-induced inflammatory bowel disease in scid mice with defined flora, Infect. Immun., 65, 4858-4864, doi: 10.1128/iai.65.11.4858-4864.1997.

17. Christopher, P., Monceaux, T. L. T., Boktor, M., Jordan, P., Adegboyega, P., et al. (2013) Helicobacter infection decreases basal colon inflammation, but increases disease activity in experimental IBD, Open J. Gastroenterol., 3, 177-189, doi: 10.4236/ojgas.2013.33029.

18. Jiang, H. Q., Kushnir, N., Thurnheer, M. C., Bos, N. A., and Cebra, J. J. (2002) Monoassociation of SCID mice with Helicobacter muridarum, but not four other enterics, provokes IBD upon receipt of T cells, Gastroenterology, 122, 1346-1354, doi: 10.1053/gast.2002.32959.

19. Ивашкин К. В., Решетова М. С., Зольникова О. Ю., Корнеева В. Р., и др. (2020) Место пробиотиков в комплексной терапии различных заболеваний желудочно-кишечного тракта, Российский журнал гастроэнтерологии, гепатологии, колопроктологии, 30, 42-48, doi: 10.22416/1382-4376-2020-30-1-42-48.

20. Weingarden, A. R., and Vaughn, B. P. (2017) Intestinal microbiota, fecal microbiota transplantation, and inflammatory bowel disease, Gut Microbes, 8, 238-252, doi: 10.1080/19490976.2017.1290757.

21. Щербаков П. Л., Белова Н. Д., Генерозов Э. В., Жгун Е. С., и др. (2019) Применение фекальной трансплантации в лечении заболеваний пищеварительного тракта (первый клинический опыт), Доктор.Ру., 3, 40-46, doi: 10.31550/1727-2378-2019-158-3-40-46.

22. Lin, J., and Hackam, D. J. (2011) Worms, flies and four-legged friends: the applicability of biological models to the understanding of intestinal inflammatory diseases, Disease Models Mech., 4, 447-456, doi: 10.1242/dmm.007252.

23. Walters, E. M., Wolf, E., Whyte, J. J., Mao, J., Renner, S., et al. (2012) Completion of the swine genome will simplify the production of swine as a large animal biomedical model, BMC Med. Genom., 5, 55, doi: 10.1186/1755-8794-5-55.

24. Coors, M. E., Glover, J. J., Juengst, E. T., and Sikela, J. M. (2010) The ethics of using transgenic non-human primates to study what makes us human, Nat. Rev. Genet., 11, 658-662, doi: 10.1038/nrg2864.

25. Ideland, M. (2009) Different views on ethics: How animal ethics is situated in a committee culture, J. Med. Ethics, 35, 258-261, doi: 10.1136/jme.2008.026989.

26. Robinson, A. M., Sakkal, S., Park, A., Jovanovska, V., Payne, N., et al. (2014) Mesenchymal stem cells and conditioned medium avert enteric neuropathy and colon dysfunction in guinea pig TNBS-induced colitis, Am. J. Physiol. Gastrointest. Liver Physiol., 307, G1115-G1129, doi: 10.1152/ajpgi.00174.2014.

27. Hungate, R.E. (1966) The Rumen and Its Microbes, 1st Edn., Academic Press/New York and London.

28. Kathrani, A., Lee, H., White, C., Catchpole, B., Murphy, A., et al. (2014) Association between nucleotide oligomerisation domain two (Nod2) gene polymorphisms and canine inflammatory bowel disease, Vet. Immunol. Immunopathol., 161, 32-41, doi: 10.1016/j.vetimm.2014.06.003.

29. Waterston, R. H., Lindblad-Toh, K., Birney, E., Rogers, J., Abril, J. F., et al. (2002) Initial sequencing and comparative analysis of the mouse genome, Nature, 420, 520-562, doi: 10.1038/nature01262.

30. Jiminez, J. A., Uwiera, T. C., Douglas Inglis, G., and Uwiera, R. R. E. (2015) Animal models to study acute and chronic intestinal inflammation in mammals, Gut Pathog., 7, 29, doi: 10.1186/s13099-015-0076-y.

31. Westbrook, A. M., Szakmary, A., and Schiestl, R. H. (2016) Mouse models of intestinal inflammation and cancer, Arch. Toxicol., 90, 2109-2130, doi: 10.1007/s00204-016-1747-2.

32. Wirtz, S., Popp, V., Kindermann, M., Gerlach, K., Weigmann, B., et al. (2017) Chemically induced mouse models of acute and chronic intestinal inflammation, Nat. Protocols, 12, 1295-1309, doi: 10.1038/nprot.2017.044.

33. Cano-Gamez, E., Soskic, B., Roumeliotis, T. I., So, E., Smyth, D. J., et al. (2020) Single-cell transcriptomics identifies an effectorness gradient shaping the response of CD4+ T cells to cytokines, Nat. Commun., 11, 1801, doi: 10.1038/s41467-020-15543-y.

34. Mizoguchi, A., Takeuchi, T., Himuro, H., Okada, T., and Mizoguchi, E. (2016) Genetically engineered mouse models for studying inflammatory bowel disease, J. Pathol., 238, 205-219, doi: 10.1002/path.4640.

35. Литвинова Е. А., Ачасова К. М., Борисова М. А., Женило С. В., Прохорчук Е. Б., и др. (2018) Роль гена Kaiso в развитии воспаления у мышей с дефицитом Муцина-2, Вавиловский журнал генетики и селекции, 22, 1078-1083, doi: 10.18699/VJ18.453.

36. Литвинова Е. А., Беляев М. Д., Прохорчук А. В., Коростина В. С., Прохорчук Е. Б., и др. (2015) Вклад кишечного муцина-2 в эффективность антибактериальной терапии Helicobacter spp. у лабораторных мышей, Вавиловский журнал генетики и селекции, 19, 494-498, doi: 10.18699/VJ15.066.

37. Kawashima, H. (2012) Roles of the gel-forming MUC2 mucin and its O-glycosylation in the protection against colitis and colorectal cancer, Biol. Pharm. Bull., 35, 1637-1641, doi: 10.1248/bpb.b12-00412.

38. Tailford, L. E., Crost, E. H., Kavanaugh, D., and Juge, N. (2015) Mucin glycan foraging in the human gut microbiome, Front. Genet., 6, 81, doi: 10.3389/fgene.2015.00081.

39. Martens, E. C., Roth, R., Heuser, J. E., and Gordon, J. I. (2009) Coordinate regulation of glycan degradation and polysaccharide capsule biosynthesis by a prominent human gut symbiont, J. Biol. Chem., 284, 18445-18457, doi: 10.1074/jbc.M109.008094.

40. Morgan, X. C., Tickle, T. L., Sokol, H., Gevers, D., Devaney, K. L., et al. (2012) Dysfunction of the intestinal microbiome in inflammatory bowel disease and treatment, Genome Biol., 13, R79, doi: 10.1186/gb-2012-13-9-r79.

41. Pickard, J. M., and Chervonsky, A. V. (2015) Intestinal fucose as a mediator of host-microbe symbiosis, J. Immunol., 194, 5588-5593, doi: 10.4049/jimmunol.1500395.

42. Litvinova, E. A., Bets, V. D., Feofanova, N. A., Gvozdeva, O. V., Achasova, K. M., et al. (2021) Dietary fucose affects macrophage polarization and reproductive performance in mice, Nutrients, 13, 855, doi: 10.3390/nu13030855.

43. Borisova, M. A., Snytnikova, O. A., Litvinova, E. A., Achasova, K. M., Babochkina, T. I., et al. (2020) Fucose ameliorates tryptophan metabolism and behavioral abnormalities in a mouse model of chronic colitis, Nutrients, 12, 445, doi: 10.3390/nu12020445.

44. Ачасова К. М., Гвоздева О. В., Кожевникова Е. Н., Литвинова Е. А. (2021) Регкляторные Т-клетки лимфатических узлов у Muc2–/– мышей с Helicobacter spp., Медицинская иммунология, 23, 629-634, doi: 10.15789/1563-0625-LNR-2268.

45. Ачасова К. М., Литвинова Е. А. (2019) Мыши с нокаутом гена Muc2 – модель для оценки способов воздействия на микрофлору кишечника, Российский иммунологический журнал, 13, 713-715, doi: 10.31857/S102872210006753-3.

46. Ачасова К. М., Литвинова Н. А., Кожевникова Е. Н., Литвинова Е. А. (2020) Вляние L-фукозы на макрофаги и Т-клетки при нарушении микрофлоры кишечника на экспериментальной модели ВЗК, Медико-биологические и нутрициологические аспекты здоровьесберегающих технологий/материалы I Международной научно-практической конференции, 21-25.

47. Mähler Convenor, M., Berard, M., Feinstein, R., Gallagher, A., Illgen-Wilcke, B., et al. (2014) FELASA recommendations for the health monitoring of mouse, rat, hamster, guinea pig and rabbit colonies in breeding and experimental units, Lab. Animals, 48, 178-192, doi: 10.1177/0023677213516312.

48. Borisova, M. A., Achasova, K. M., Morozova, K. N., Andreyeva, E. N., Litvinova, E. A., et al. (2020) Mucin-2 knockout is a model of intercellular junction defects, mitochondrial damage and ATP depletion in the intestinal epithelium, Sci. Rep., 10, 21135, doi: 10.1038/s41598-020-78141-4.

49. Achasova, K. M., Kozhevnikova, E. N., Borisova, M. A., and Litvinova, E. A. (2021) Fucose ameliorates Tritrichomonas sp.-associated illness in antibiotic-treated Muc2−/− mice, Int. J. Mol. Sci., 22, 10699, doi: 10.3390/ijms221910699.

50. Litvinova, E. A., Kozhevnikova, E. N., Achasova, K. M., Kontsevaya, G. V., and Moshkin, M. P. (2017) Eradication of Helicobacter spp. in mucin2-deficient mice, Lab. Animals, 51, 311-314, doi: 10.1177/0023677216670687.

51. Bradford, M. M. (1976) A rapid and sensitive method for the quantitation of microgram quantities of protein utilizing the principle of protein-dye binding, Anal. Biochem., 72, 248-254, doi: 10.1006/abio.1976.9999.

52. Ye, J., Coulouris, G., Zaretskaya, I., Cutcutache, I., Rozen, S., and Madden, T. L. (2012) Primer-BLAST: a tool to design target-specific primers for polymerase chain reaction, BMC Bioinformatics, 13, 134, doi: 10.1186/1471-2105-13-134.

53. Okonechnikov, K., Golosova, O., and Fursov, M. (2012) Unipro UGENE: a unified bioinformatics toolkit, Bioinformatics, 28, 1166-1167, doi: 10.1093/bioinformatics/bts091.

54. Schwieger, F., and Tebbe, C. (1999) A new approach to utilize PCR-Single-Strand-Conformation Polymorphism for 16S rRNA Gene-Based Microbial Community Analysis, Appl. Environ. Microbiol., 64, 4870-4876, doi: 10.1128/AEM.64.12.4870-4876.1998.

55. Bassam, B. J., Caetano-Anollés, G., and Gresshoff, P. M. (1991) Fast and sensitive silver staining of DNA in polyacrylamide gels, Anal. Biochem., 196, 80-83, doi: 10.1016/0003-2697(91)90120-i.

56. Heazlewood, C. K., Cook, M. C., Eri, R., Price, G. R., Tauro, S. B., et al. (2008) Aberrant mucin assembly in mice causes endoplasmic reticulum stress and spontaneous inflammation resembling ulcerative colitis, PLoS Med., 5, e54, doi: 10.1371/journal.pmed.0050054.

57. Allen, A., Hutton, D. A., and Pearson, J. P. (1998) The MUC2 gene product: a human intestinal mucin, Int. J. Biochem. Cell Biol., 30, 797-801, doi: 10.1016/s1357-2725(98)00028-4.

58. McGovern, D. P., Jones, M. R., Taylor, K. D., Marciante, K., Yan, X., et al. (2010) Fucosyltransferase 2 (FUT2) non-secretor status is associated with Crohn’s disease, Hum. Mol. Genet., 19, 3468-3476, doi: 10.1093/hmg/ddq248.

59. Crouch, L. I., Liberato, M. V., Urbanowicz, P. A., Baslé, A., Lamb, C. A., et al. (2020) Prominent members of the human gut microbiota express endo-acting O-glycanases to initiate mucin breakdown, Nat. Commun., 11, 4017, doi: 10.1038/s41467-020-17847-5.

60. Tadesse, S., Corner, G., Dhima, E., Houston, M., Guha, C., et al. (2017) MUC2 mucin deficiency alters inflammatory and metabolic pathways in the mouse intestinal mucosa, Oncotarget, 8, 71456-71470, doi: 10.18632/oncotarget.16886.

61. Luijkx, Y., Bleumink, N. M. C., Jiang, J., Overkleeft, H. S., Wösten, M., et al. (2020) Bacteroides fragilis fucosidases facilitate growth and invasion of Campylobacter jejuni in the presence of mucins, Cell. Microbiol., 22, e13252, doi: 10.1111/cmi.13252.