Τα έντερά μας φιλοξενούν τρισεκατομμύρια βακτήρια και η έρευνα των τελευταίων δεκαετιών έχει αποδείξει πόσο σημαντικά είναι για τη φυσιολογία μας -στην υγεία και τις ασθένειες. Μια νέα μελέτη από ερευνητές της European Molecular Biology Laboratory
Heidelberg δείχνει ότι τα βακτήρια του εντέρου μπορούν να επιφέρουν βαθιές μοριακές αλλαγές σε ένα από τα πιο κρίσιμα όργανά μας, τον εγκέφαλο.
Η νέα μελέτη, που δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Nature Structural and Molecular Biology, είναι η πρώτη που δείχνει ότι τα βακτήρια που ζουν στο έντερο μπορούν να επηρεάσουν τον τρόπο με τον οποίο οι πρωτεΐνες στον εγκέφαλο τροποποιούνται από τους υδατάνθρακες -μια διαδικασία που ονομάζεται γλυκοζυλίωση.
Η μελέτη κατέστη δυνατή με μια νέα μέθοδο που ανέπτυξαν οι επιστήμονες -ονομάζεται DQGlyco- η οποία τους επιτρέπει να μελετούν τη γλυκοζυλίωση σε πολύ υψηλότερη κλίμακα και ανάλυση από προηγούμενες μελέτες.
Οι πρωτεΐνες είναι τα άλογα εργασίας των κυττάρων μας και τα κύρια δομικά στοιχεία τους. Τα σάκχαρα ή υδατάνθρακες, από την άλλη πλευρά, είναι από τις κύριες πηγές ενέργειας του σώματος. Ωστόσο, το κύτταρο χρησιμοποιεί επίσης σάκχαρα για να τροποποιήσει χημικά τις πρωτεΐνες, αλλάζοντας τις λειτουργίες τους. Αυτό ονομάζεται γλυκοζυλίωση.
«Η γλυκοζυλίωση μπορεί να επηρεάσει τον τρόπο με τον οποίο τα κύτταρα συνδέονται μεταξύ τους (προσκόλληση), πώς κινούνται (κινητικότητα) και ακόμη και πώς μιλάνε μεταξύ τους (επικοινωνία)», εξήγησε ο Clément Potel, πρώτος συγγραφέας της μελέτης. «Εμπλέκεται στην παθογένεση πολλών ασθενειών, συμπεριλαμβανομένου του καρκίνου και των νευρωνικών διαταραχών».
Ωστόσο, η γλυκοζυλίωση ήταν παραδοσιακά πολύ δύσκολο να μελετηθεί. Μόνο ένα μικρό μέρος των πρωτεϊνών στο κύτταρο είναι γλυκοζυλιωμένο και η συγκέντρωση αρκετών από αυτές σε ένα δείγμα για μελέτη (μια διαδικασία που ονομάζεται «εμπλουτισμός») τείνει να είναι επίπονη, δαπανηρή και χρονοβόρα. «Μέχρι στιγμής, δεν ήταν δυνατό να γίνουν τέτοιες μελέτες σε συστηματική κλίμακα, με ποσοτικό τρόπο και με υψηλή αναπαραγωγιμότητα», δήλωσε ο Mikhail Savitski, Επικεφαλής του Proteomics Core Facility στο EMBL Heidelberg. «Αυτές είναι οι προκλήσεις που καταφέραμε να ξεπεράσουμε με τη νέα μέθοδο».
Η μέθοδος DQGlyco χρησιμοποιεί εύκολα διαθέσιμα και χαμηλού κόστους εργαστηριακά υλικά, όπως λειτουργικά σφαιρίδια πυριτίου, για να εμπλουτίσει επιλεκτικά γλυκοζυλιωμένες πρωτεΐνες από βιολογικά δείγματα, τα οποία στη συνέχεια μπορούν να εντοπιστούν και να μετρηθούν με ακρίβεια. Εφαρμόζοντας τη μέθοδο σε δείγματα εγκεφαλικού ιστού από ποντίκια, οι ερευνητές μπόρεσαν να αναγνωρίσουν περισσότερες από 150.000 γλυκοζυλιωμένες μορφές πρωτεϊνών («πρωτεομορφές»), μια αύξηση πάνω από 25 φορές σε σύγκριση με προηγούμενες μελέτες.
Η ποσοτική φύση της νέας μεθόδου σημαίνει ότι οι ερευνητές μπορούν να συγκρίνουν και να μετρήσουν διαφορές μεταξύ δειγμάτων από διαφορετικούς ιστούς, κυτταρικές σειρές, είδη κ.λπ. Αυτό τους επιτρέπει επίσης να μελετήσουν το μοτίβο της «μικροτερογένειας» -το φαινόμενο όπου το ίδιο μέρος μιας πρωτεΐνης μπορεί να τροποποιηθεί από πολλές (μερικές φορές εκατοντάδες) διαφορετικές ομάδες σακχάρων. Ένα από τα πιο κοινά παραδείγματα μικροετερογένειας είναι οι ομάδες αίματος του ανθρώπου, όπου η παρουσία διαφορετικών ομάδων σακχάρου στις πρωτεΐνες στα ερυθρά αιμοσφαίρια καθορίζει τον τύπο αίματος (Α, Β, Ο και ΑΒ). Αυτό παίζει σημαντικό ρόλο στον καθορισμό της επιτυχίας των μεταγγίσεων αίματος από το ένα άτομο στο άλλο.
Η νέα μέθοδος επέτρεψε στην ομάδα να εντοπίσει μια τέτοια μικροετερογένεια σε εκατοντάδες πρωτεϊνικές τοποθεσίες. «Πιστεύω ότι ο εκτεταμένος επιπολασμός της μικροετερογένειας είναι κάτι που οι άνθρωποι πάντα υπέθεταν, αλλά αυτό δεν είχε ποτέ αποδειχθεί με σαφήνεια, καθώς χρειάζεται να έχετε αρκετή κάλυψη γλυκοζυλιωμένων πρωτεϊνών για να μπορέσετε να κάνετε τη δήλωση», είπε η Mira Burtscher, συγγραφέας της μελέτης.
Από το έντερο στον εγκέφαλο
Δεδομένης της ακρίβειας και της ισχύος της μεθόδου, οι ερευνητές αποφάσισαν να τη χρησιμοποιήσουν για να αντιμετωπίσουν ένα βιολογικό ερώτημα σε εκκρεμότητα. Σε συνεργασία με την ομάδα του Michael Zimmermann στο EMBL εξέτασαν εάν το μικροβίωμα του εντέρου είχε κάποια επίδραση στις υπογραφές γλυκοζυλίωσης που είχαν παρατηρήσει στον εγκέφαλο.
«Είναι γνωστό ότι τα μικροβιώματα του εντέρου μπορούν να επηρεάσουν τις νευρικές λειτουργίες, αλλά οι μοριακές λεπτομέρειες είναι σε μεγάλο βαθμό άγνωστες. Η γλυκοζυλίωση εμπλέκεται σε πολλές διεργασίες, όπως η νευροδιαβίβαση και η καθοδήγηση των αξόνων, γι’ αυτό θέλαμε να δοκιμάσουμε εάν αυτός ήταν ένας μηχανισμός με τον οποίο τα βακτήρια του εντέρου επηρέαζαν τις μοριακές οδούς στον εγκέφαλο», είπαν οι ερευνητές.
Είναι ενδιαφέρον ότι η ομάδα διαπίστωσε ότι σε σύγκριση με «ποντίκια χωρίς μικρόβια», δηλαδή ποντίκια που αναπτύχθηκαν σε αποστειρωμένο περιβάλλον έτσι ώστε να τους λείπει εντελώς οποιοδήποτε μικρόβιο μέσα και πάνω στο σώμα τους, τα ποντίκια που αποικίστηκαν με διαφορετικά βακτήρια του εντέρου είχαν διαφορετικά πρότυπα γλυκοζυλίωσης στον εγκέφαλο.
Τα αλλαγμένα πρότυπα ήταν ιδιαίτερα εμφανή σε πρωτεΐνες που είναι γνωστό ότι είναι σημαντικές σε νευρικές λειτουργίες, όπως η γνωστική επεξεργασία και η ανάπτυξη των νευραξόνων.
Τα σύνολα δεδομένων της μελέτης είναι ανοιχτά διαθέσιμα μέσω μιας νέας ειδικής εφαρμογής για άλλους ερευνητές. Επιπλέον, η ομάδα είναι επίσης περίεργη εάν τα δεδομένα μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να ενημερώσουν τις προβλέψεις σχετικά με τη γλυκοζυλίωση τοποθεσίες, ειδικά σε διαφορετικά είδη. Για αυτό, έχουν χρησιμοποιήσει προσεγγίσεις μηχανικής μάθησης όπως το AlphaFold -το εργαλείο που βασίζεται στην τεχνητή νοημοσύνη για την πρόβλεψη των πρωτεϊνικών δομών που αναγνωρίστηκε με το Νόμπελ Χημείας 2024.
«Εκπαιδεύοντας τα μοντέλα σε δεδομένα ποντικιών, μπορούμε να αρχίσουμε να προβλέπουμε ποια θα μπορούσε να είναι η μεταβλητότητα των θέσεων γλυκοζυλίωσης στους ανθρώπους, για παράδειγμα», ανέφεραν. «Θα μπορούσε να είναι πολύ χρήσιμο για τους ανθρώπους που μελετούν άλλους οργανισμούς να τους βοηθήσουν να αναγνωρίσουν τις θέσεις γλυκοζυλίωσης στις πρωτεΐνες που τους ενδιαφέρουν».
Οι ερευνητές εργάζονται επίσης για να εφαρμόσουν τη νέα μέθοδο για να απαντήσουν σε πιο θεμελιώδη βιολογικά ερωτήματα και να κατανοήσουν τον λειτουργικό ρόλο που παίζει η γλυκοζυλίωση στα κύτταρα.
Περισσότερες πληροφορίες: Uncovering protein glycosylation dynamics and heterogeneity using deep quantitative glycoprofiling (DQGlyco). Nature Structural & Molecular Biology, 2025; DOI: 10.1038/s41594-025-01485-w.
