Σχεδόν πριν από μια δεκαετία, η μεταπτυχιακή φοιτήτρια του University of Oregon Jennifer Hampton Hill έκανε ένα τυχαίο εύρημα. Μια πρωτεΐνη που παράγεται από βακτήρια του εντέρου προκάλεσε την αναπαραγωγή των κυττάρων που παράγουν ινσουλίνη. Η πρωτεΐνη ήταν μια σημαντική ένδειξη για τη βιολογική βάση για τον διαβήτη τύπου 1, μια αυτοάνοση ασθένεια στην οποία το πάγκρεας δεν μπορεί να παράγει ινσουλίνη.
H Hill συνέχισε την έρευνα αυτής της πρωτεΐνης, που ονομάζεται BefA, ως μεταδιδάκτορας στο Πανεπιστήμιο της Γιούτα. Και το εργαστήριο της Karen Guillemin στο University of Oregon συνέχισε να μελετά επίσης την BefA. Μαζί με άλλους συναδέλφους, ανακάλυψαν τώρα νέες ιδέες για το τι κάνει η BefA και γιατί την φτιάχνουν τα βακτήρια.
Αυτές οι ανακαλύψεις έχουν «σημαντικές, βαθιές επιπτώσεις», είπε η Guillemin. «Εάν κατανοήσουμε πώς λειτουργεί η BefA, αυτό θα μπορούσε να μας δώσει έναν τρόπο να τονώσουμε την παραγωγή βήτα κυττάρων θεραπευτικά». Θα μπορούσε κάποια μέρα να οδηγήσει σε θεραπείες για τον διαβήτη τύπου 1, ο οποίος επηρεάζει εκατομμύρια ανθρώπους παγκοσμίως.
Οι ερευνητές ανέφεραν τα ευρήματά τους σε μια εργασία που δημοσιεύτηκε στο Cell Metabolism.
Το σώμα χρειάζεται ινσουλίνη για να ρυθμίσει το σάκχαρο στο αίμα, αλλά η ινσουλίνη παράγεται μόνο από έναν επιλεγμένο τύπο κυττάρων στο πάγκρεας που ονομάζονται βήτα κύτταρα. Και υπάρχει ένα στενό χρονικό διάστημα κατά την πρώιμη παιδική ηλικία, όταν τα βήτα κύτταρα αναπαράγονται και επεκτείνουν τον πληθυσμό τους. Σε άτομα με διαβήτη τύπου 1, το ανοσοποιητικό σύστημα επιτίθεται στα βήτα κύτταρα και εξαντλεί τον πληθυσμό τους, περιορίζοντας την παραγωγή ινσουλίνης.
Η διέγερση της ανάπτυξης του ανοσοποιητικού μικροβιώματος βοηθά στη σωστή εκπαίδευση του ανοσοποιητικού συστήματος και στην πρόληψη της αυτοανοσίας. Η εργασία της ομάδας της Guillemin προτείνει έναν πρόσθετο ρόλο για το μικροβίωμα: διεγείρει την ανάπτυξη του πληθυσμού των βήτα κυττάρων νωρίς στην ανάπτυξη, και αυτό λειτουργεί ενάντια στη μεταγενέστερη εξάντληση από μια αυτοάνοση επίθεση.
Η αύξηση του πληθυσμού των βήτα κυττάρων συμβαίνει την ίδια στιγμή που οι μικροβιακές κοινότητες διαφοροποιούνται στο έντερο, είπε η Hill. «Ένα χαρακτηριστικό γνώρισμα του διαβήτη είναι ότι τα παιδιά που τον αναπτύσσουν τείνουν να έχουν ένα διαφορετικός εντερικό μικροβίωμα. Είναι πιθανό να τους λείπουν μερικά από τα βακτήρια που παράγουν την πρωτεΐνη BefA».
Στην πιο πρόσφατη εργασία τους, οι Hill, Guillemin και οι συνάδελφοί τους ρίχνουν μια πιο βαθιά ματιά στη BefA. Συνέλαβαν λεπτομερείς εικόνες της δομής της BefA, για να εντοπίσουν τα μέρη του που αλληλεπιδρούν με τις κυτταρικές μεμβράνες. Στη συνέχεια, μέσω μιας σειράς πειραμάτων σε ψάρια ζέβρα, ποντίκια και καλλιεργημένα κύτταρα, οι ερευνητές σκιαγράφησαν μια εικόνα της λειτουργίας της BefA.
Η BefA μπορεί να διαταράξει τις μεμβράνες πολλών ειδών κυττάρων, τόσο βακτηριακών όσο και ζωικών, έδειξαν τα πειράματα. Είναι λογικό τα βακτήρια του εντέρου να επιτίθενται σε ανταγωνιστικά βακτήρια. Αλλά απροσδόκητα, οι ερευνητές ανακάλυψαν επίσης ότι οι επιθέσεις της BefA στις μεμβράνες των κυττάρων που παράγουν ινσουλίνη προκάλεσαν την αναπαραγωγή αυτών των κυττάρων. Το εύρημα υποδηλώνει ότι ο βακτηριακός πόλεμος στο έντερο μπορεί να έχει παράπλευρες ευεργετικές επιδράσεις στον οργανισμό, ενισχύοντας τον πληθυσμό των κυττάρων που μπορούν να παράγουν ινσουλίνη καθ’ όλη τη διάρκεια της ζωής.
Η ερευνητική ομάδα δοκίμασε επίσης μια μεταλλαγμένη έκδοση της BefA που τροποποιήθηκε έτσι ώστε να μην μπορεί να μπλέξει με τις κυτταρικές μεμβράνες. Αυτή η έκδοση της πρωτεΐνης δεν επηρέασε την παραγωγή βήτα κυττάρων, υποδηλώνοντας περαιτέρω ότι η βλάβη της μεμβράνης οδηγεί τα αποτελέσματα. «Υπάρχουν άλλα παραδείγματα στην αναπτυξιακή βιολογία όπου το άνοιγμα οπών στις μεμβράνες είναι κρίσιμο για την τόνωση της ανάπτυξης», είπε η Hill. Αλλά οι ερευνητές δεν γνωρίζουν ακόμη πώς ακριβώς η βλάβη προκαλεί την κυτταρική αναπαραγωγή εδώ.
Και δεν ξέρουν γιατί η BefA, το οποίο μπορεί πραγματικά να αλλάξει τις μεμβράνες πολλών ειδών κυττάρων, στοχεύει τόσο συγκεκριμένα τα βήτα κύτταρα. «Πιστεύουμε ότι υπάρχει κάτι ιδιαίτερο στα βήτα κύτταρα που μπορεί να είναι ιδιαίτερα ευαισθητοποιημένα ώστε να ανταποκρίνονται σε μηνύματα που προκαλούν διαπερατότητα της μεμβράνης», είπε η Hill. «Είναι ο μόνος τύπος κυττάρων σε ολόκληρο το σώμα που μπορεί να εκκρίνει ινσουλίνη και αυτό είναι εξαιρετικά σημαντικά».
Η Hill τιμήθηκε με το NOSTER & Science Microbiome Prize φέτος για τη δουλειά της σχετικά με την BefA. Το ετήσιο βραβείο απονέμεται σε έναν επιστήμονα πρώιμης σταδιοδρομίας που έχει συνεισφέρει με νέα κατανόηση στην έρευνα του μικροβιώματος και θα μπορούσε να επηρεάσει την ανθρώπινη υγεία.
«Το μικροβίωμα παίζει ρόλο στην εκπαίδευση του ανοσοποιητικού συστήματος. Εάν δεν έχετε αυτή την εκπαίδευση, το ανοσοποιητικό σύστημα μπορεί να είναι υπεραντιδραστικό», είπε η Guillemin. «Πιστεύουμε ότι εάν δεν αναπτύξετε μια δεξαμενή βήτα κυττάρων ενάντια σε μελλοντικές διαταραχές, διατρέχετε μεγαλύτερο κίνδυνο για διαβήτη τύπου 1». Και ένα υγιές, ποικιλόμορφο μικροβίωμα παίζει βασικό ρόλο στη δημιουργία αυτού του κυτταρικού πληθυσμού.
Στο μέλλον, η ομάδα του Guillemin φαντάζεται πιθανές θεραπευτικές εφαρμογές για το εύρημα. Για παράδειγμα, η προληπτική ενίσχυση των μικροβιωμάτων των βρεφών υψηλού κινδύνου με βακτήρια που παράγουν BefA θα μπορούσε να τα αποτρέψει από το να αναπτύξουν αργότερα διαβήτη τύπου 1.
