Сезонные изменения микробиома помогают пандам толстеть на диете из молодых побегов бамбука

Диета больших панд состоит почти исключительно из бамбука. Осенью, зимой и весной панды едят листья бамбука, а летом переходят на более питательные побеги. Однако как панды, которые с точки зрения анатомии являются хищниками, выживает на таком скудном рационе? Китайские исследователи показали, что к бамбуковой диете приспособлен не только метаболизм животных, но и микробиом их кишечника. С помощью пересадки кала панд мышам, лишенным собственного микробиома, авторы определили, что в сезон поедания побегов панды приобретают бактерии, которые помогают набирать жировую массу. При этом бактерии влияют на гены, управляющие различными путями метаболизма липидов, в том числе фосфолипидов, которые нужны для нормальной жизни панды.

Большая панда (Ailuropoda melanoleuca) — одно из самых узнаваемых и самых странных животных. Ее считают медлительной, неуклюжей (подборки роликов с падениями панд составляют даже зоопарки) и совсем не интересующейся размножением (самки панд готовы спариваться всего пару суток раз в год и, кроме того, они очень разборчивы в выборе самцов). Да и питаются они необычно.

Большая панда относится к отряду хищных, но почти весь ее рацион состоит из бамбука за исключением редких случаев поедания останков погибших животных. Однако они совершенно приспособлены к такому рациону. У них даже развился «большой палец» — вырост сесамовидной кости, который позволяет пандам хвататься за тонкие бамбуковые побеги (рис. 2). Кроме того, их метаболизм приспособлен к тому количеству энергии, которое позволяет получать вегетарианская диета. Оказывается, панды расходуют значительно меньше энергии, чем другие млекопитающие, двигаясь медленно и в целом характеризуются медленным обменом веществ (подробнее об этом рассказано в новости Панды минимизируют энергетические затраты, чтобы обходиться бамбуковой диетой, «Элементы», 09.07.2015). Интересно, что, питаясь бамбуком, панды получают 50% энергии от белков (при этом листья бамбука состоят из белка лишь на 13%, см. M. Wang et al., 2017. Exploring Bamboo Leaf Nutrient Value in the USNPGS Germplasm Collection) и 39% — от углеводов (Y. Nie et al., 2019. Giant Pandas Are Macronutritional Carnivores). Это сравнимо с показателями для истинных хищников, например волков и диких кошек. Животные, которые питаются преимущественно растительной пищей, получают лишь 20% энергии от белков.

Чтобы получить оптимальное количество макронутриентов (то есть белков, углеводов и жиров), большим пандам приходится не просто много есть (взрослая панда съедает около 15 кг бамбука в день), а использовать сложную стратегию в поиске наиболее питательной пищи. При наблюдении за пандами в живой природе выяснилось, что они используют разные виды бамбука для питания (Y. Nie et al., 2019. Giant Pandas Are Macronutritional Carnivores). Панды в исследуемой популяции большую часть года (с конца августа по конец апреля) ели листья одного из видов бамбука (Bashania fargesii) в низинах. А с мая по август они переключались на молодые побеги. Побеги питательнее листьев, к тому же они содержат больше белка и меньше неперевариваемой клетчатки. Питаясь побегами, панды набирают вес активнее, чем при поедании листьев. С ростом побегов количество белка в них снижается, а количество неперевариваемых пищевых волокон — растет. Поэтому панды мигрируют выше в горы, где могут есть побеги другого вида бамбука (Fargesia qinlingensis), а затем по мере созревания побегов вновь переключаются на листья: сначала на горном участке, а потом в низине, куда они спускаются.

Микробиом кишечника и питание неразрывно связаны. С одной стороны, микробиом помогает хозяину переваривать пищу, а с другой стороны — состав микробиома зависит от того, что ест хозяин, и меняется вместе с изменением рациона. Панды не исключение. Первые метагеномные исследования кишечного микробиома панд показали, что он содержит бактерии, вероятно, способные к перевариванию целлюлозы (L. Zhou et al., 2011. Evidence of cellulose metabolism by the giant panda gut microbiome). Но все же микробиом кишечника панды — это микробиом хищника (Z. Xue et al., 2015. The Bamboo-Eating Giant Panda Harbors a Carnivore-Like Gut Microbiota, with Excessive Seasonal Variations). В нем не оказалось типичных для микробиома травоядных животных бактерий, разрушающих целлюлозу, а доминировали такие бактерии как Escherichia/Shigella, Clostridium и Streptococcus — обычные жители кишечника всеядных и хищников. Основным углеводным источником энергии для панды по-видимому являются легкоусвояемые крахмал и гемицеллюлоза (W. Zhang et al., 2018. Age-associated microbiome shows the giant panda lives on hemicelluloses, not on cellulose). Кроме того, микробиом кишечника панды более однообразный, чем у других животных, включая человека. Является ли это следствием того, что у панд очень ограниченный рацион, или наоборот приспособлением к этому, остается под вопросом.

Тем не менее, ранее уже было показано, что кишечный микробиом панд меняется в зависимости от сезона питания (Q. Wu et al., 2017. Seasonal variation in nutrient utilization shapes gut microbiome structure and function in wild giant pandas). Во время питания побегами бамбука разнообразие бактерий в кишечнике растет, и это коррелирует с большей доступностью и разнообразием питательных веществ. В сезон питания листьями растет число видов бактерий, которые способны перерабатывать пищевые волокна.

Но, несмотря на многочисленные исследования, остается неясным: как микробиом помогает пандам оставаться здоровыми и процветающими на такой скудной диете? Исследователи из Китая решили применить весь арсенал омиксных технологий, а также экспериментальный подход, чтобы ответить на этот вопрос. Статья с их результатами опубликована в свежем номере журнала Cell Reports.

Исследование началось со сбора образцов кала у восьми панд, которые живут в Национальном природном заповеднике Фопин (Foping National Nature Reserve). Образцы собирали зимой (сезон питания листьями), а также поздней весной и ранним летом (сезон питания побегами). Чтобы подробно изучить, какие микроорганизмы находятся в образцах, использовали два подхода. Сначала — сборка метапротеома (см. Metaproteomics), то есть всех белков, которые синтезируются микроорганизмами, живущими в кишечнике. Белки из полученного списка можно разделить по их функциям, и определить, как меняется их распределение в зависимости от условий (в данном случае — от сезона питания). Этот подход также помогает при интерпретации метагенома — в данном случае совокупности всей ДНК микробиома кишечника. Анализ метагенома показал, какие микроорганизмы населяют кишечник панд. Самыми распространенным типом оказались бактерии фирмикуты, а также протеобактерии, цианобактерии, Bacteroidetes (к ним относится, например, кишечная палочка) и актинобактерии. Бактерии Clostridium, Cellulosilyticum, Escherichia и Turicibacter (все они относятся к фирмикутам) встречались в большом количестве во время обоих сезонов, однако клостридии преобладали в основном в период поедания побегов.

Один из видов клостридий оказался особо интересным: C. butyricum встречались в микробиоме панд чаще, чем другие виды клостридий. Эта бактерия получила свое название из-за того, что она выделяет масляную (бутановую) кислоту в процессе метаболизма, — именно этот метаболит появлялся в кале панд в сезон питания побегами.

К сожалению, простой список видов микроорганизмов не может ответить на вопрос, как микробиом влияет на хозяина. Изучить это влияние можно только экспериментальным путем. Один из способов — трансплантация фекальной микробиоты. Этот метод уже используется в клинической практике для лечения инфекции Clostridium difficile, и активно изучается в контексте других заболеваний. Однако и в лабораторных исследованиях он тоже полезен для функционального изучения микробиома кишечника. Фекалии панд, полученные в разные сезоны питания, пересадили специальным мышам, у которых отсутствует свой микробиом. После пересадки мыши получали рацион на основе бамбука. У этих мышей собирали образцы кала каждую неделю и изучали, какие микроорганизмы выделяются вместе с ним. Оказалось, что бактерии из фекалий панды неплохо приживаются, причем бактерии из фекалий «листьевого» сезона делали это быстрее, чем из «побегового» сезона. В фекалиях мышей в большом количестве встречались уже знакомые рода: Turicibacter, Escherichia, а также Enterococcus и Klebsiella чаще встречались в микробиоме от поедателей листьев, а Cellulosilyticum — у мышей, получивших микробиом от поедателей побегов. Также, как и ожидалось, у них в большом количестве обнаруживалась уже знакомая нам C. butyricum.

Пересадка микробиома повлияла на метаболизм мышей-реципиентов. Мыши, получившие микробиом панд, питавшихся побегами, набирали вес быстрее, чем другая группа. Причем они набирали именно жировую массу, и это не было связано с тем, что мыши начинали больше есть. Также это не было связано с увеличением усвояемости жира (которого и так очень мало в бамбуке), но оказалось, что у мышей возросла усвояемость белков. Это совпадает с тем, что происходит с пандами в дикой природе. Панды стремятся питаться как можно более богатой белком пищей, чтобы покрыть им все дефициты.

Но как микробиом влияет на метаболизм мышей? Чтобы ответить на этот вопрос, авторы применили еще одну омиксную технологию. Они изучили метаболом печени мышей, получивших фекальную микробиоту панд. Печень — самый важный орган для метаболизма, поэтому перечень всех малых молекул, которые в ней присутствуют, отражает, как меняется обмен веществ. Этот список значительно менялся в зависимости от сезона питания панды. В образцах от мышей с микробиомом от панд, питавшихся побегами, чаще встречались молекулы, которые связаны с метаболизмом фосфолипидов и жирных кислот. Фосфолипиды (например сфингомиелин и фосфатидилсерин) чрезвычайно важны, так как входят в состав клеточной мембраны, служат сигнальными молекулами и источником энергии. У мышей, получивших микробиом панд, питавшихся побегами, эти вещества не только чаще встречались в печени, но и в плазме крови. Авторы предположили, что таким образом и панды быстрее набирают вес на диете из побегов бамбука. К сожалению, проверить это у диких панд невозможно, но удалось получить образцы крови у живущих в неволе панд. Действительно, при питании побегами количество фосфолипидов в крови панд увеличивается.

Как же микробиом кишечника заставляет организм производить больше фосфолипидов? На этот вопрос ответили с помощью транскриптомики: ученые изучили всю РНК, которую производили органы мышей после трансплантации фекальной микробиоты. В транскриптоме печени и почек мышей они обнаружили значительные различия в экспрессии некоторых генов. Одними из них оказались гены циркадных ритмов. Ген Per2 активнее экспрессировался в печени, а ген Cry1 — в почках мышей, которые получили микробиом поедателей побегов. Ген Bmal1 вел себя противоположным образом: он активнее экспрессировался у поедателей листьев. Эти три гена, а также ген Clock, задают активность большого количества других белков — в том числе и ответственных за метаболизм. Авторы не показали прямое воздействие изменения экспрессии гена Per2 на гены, связанные с метаболизмом липидов, однако их экспрессия тоже оказалась повышенной. Кроме того, на активность генов циркадных ритмов влияют органические кислоты, в том числе масляная кислота, концентрация которой увеличена в образцах кала у панд, питающихся побегами.

Таким образом, авторы предполагают, что микробиом влияет на метаболизм панд следующим образом. В период питания побегами бамбука кишечные бактерии, в том числе C. butyricum, производят масляную кислоту. Она попадает в кровоток и влияет на экспрессию генов циркадных ритмов. Эти гены модулируют экспрессию генов, которые связаны с метаболизмом липидов, увеличивая уровень фосфолипидов в крови и впоследствии влияя на массу тела панды. Такая гипотеза вполне вяжется с сезонным поведением панды в поиске наиболее питательной еды, а также набором веса в период питания побегами бамбука.

Существует миф, что панда — это чуть ли не тупик эволюции: ест странно, размножается редко, да и вообще — толстое и неуклюжее животное. Однако работы, подобные рассмотренной в этой новости, позволяют понять, что большие панды — это отлично приспособленные к своей узкой нише животные. И если люди не разрушат окончательно привычные места обитания панд, то этот вид может существовать и далее.

Одна из интересных черт этой работы — моделирование панды на мышах. Безусловно, это не идеальный подход, но с учетом того, что исследования на пандах, мягко говоря, затруднены (даже для отслеживания панд с помощью GPS-трекера ученым приходится получать большое количество разрешений), он является весьма логичным и перспективным. Кроме того, изучение микробиома диких животных, а не модельных организмов или человека, позволяет нам увидеть разнообразие взаимодействий между микробиомом и хозяином. И некоторые из таких взаимодействий могут быть полезны и человеку, — например для ответа на вопрос, как вещества, которые выделяет наш микробиом, влияют на наш организм и здоровье.

Источник: elementy.ru