О роли кишечных бактерий в физиологической регуляции аппетита и энергетического обмена
DOI:
https://doi.org/10.33910/2687-1270-2021-2-1-21-32Ключевые слова:
аппетит, пищевое поведение, сытость, энергетический обмен, питание, микробиота кишечника, нейропептиды, мозг, пробиотикиАннотация
В основе современного понимания регуляции аппетита лежит так называемая «гомеостатическая модель», которая предполагает, что переход от чувства голода к сытости и наоборот зависит от интенсивности энергетического обмена в организме. При этом изменение содержания энергетических субстратов в органах и тканях кодируется и передается в мозг нервной и эндокринной системами. Однако низкая метаболическая активность основных энергоемких тканей, например жировой, не позволяет объяснить краткосрочную регуляцию аппетита. В настоящей статье представлены данные, указывающие на участие микробиоты в регуляции аппетита. Прежде всего, суточная метаболическая активность кишечных бактерий (2 ккал/г) примерно в 100 раз выше, чем у организма взрослого человека, что может являться основой быстрого воздействия продуктов синтеза бактерий на краткосрочную регуляцию аппетита. Кроме того, совпадение динамики роста бактерий, регулируемой внутренними факторами микробной популяции, с изменением аппетита хозяина является индикатором функционального взаимодействия обоих процессов. Действительно, было показано, что при регулярном питании продолжительность экспоненциальной фазы роста кишечных бактерий равна 20 мин, что в точности соответствует времени, необходимому для формирования физиологического чувства насыщения. Определение бактериального белка казеинолитической протеазы (ClpB) в роли миметика ключевого анорексигенного гормона меланотропина позволило понять молекулярный механизм взаимодействия бактерий с системой передачи сигналов насыщения в кишечнике. Повышенное содержание белка ClpB в стационарной фазe роста бактерий указывает на его физиологическую роль в индукции чувства сытости у хозяина. Практическим применением этих исследований явилась разработка ClpB-содержащих пробиотиков для повышения чувства сытости и снижения веса тела при ожирении. Таким образом, по мнению автора, активная физиологическая роль кишечных бактерий в механизме чувства насыщения и сытости должна стать неотъемлемой частью «гомеостатической модели» регуляции аппетита.
Библиографические ссылки
O’Connor, C. M., Adams, J. U. (2010) Essentials of cell biology. Cambridge: NPG Education. [Online]. Available at: https://web.iitd.ac.in/~amittal/SBL101_Essentials_Cell_Biology.pdf (accessed 07.02.2021). (In English)
Al Massadi, O., Nogueiras, R., Dieguez, C., Girault, J. A. (2019) Ghrelin and food reward. Neuropharmacology, vol. 148, pp. 131–138. https://www.doi.org/10.1016/j.neuropharm.2019.01.001 (In English)
Alcock, J., Maley, C. C., Aktipis, C. A. (2014) Is eating behavior manipulated by the gastrointestinal microbiota? Evolutionary pressures and potential mechanisms. BioEssays, vol. 36, no. 10, pp. 940–949. https://www.doi.org/10.1002/bies.201400071 (In English)
Amar, J., Burcelin, R., Ruidavets, J. B. et al. (2008) Energy intake is associated with endotoxemia in apparently healthy men. The American Journal of Clinical Nutrition, vol. 87, no. 5, pp. 1219–1223. https://www.doi.org/10.1093/ajcn/87.5.1219 (In English)
Anderson, E. J. P., Çakir, I., Carrington, S. J. et al. (2016) 60 YEARS OF POMC: Regulation of feeding and energy homeostasis by α-MSH. Journal of Molecular Endocrinology, vol. 56, no. 4, pp. T157–T174. https://www.doi.org/10.1530/JME-16-0014 (In English)
Arnoriaga-Rodríguez, M., Mayneris-Perxachs, J., Burokas, A. et al. (2020) Gut bacterial ClpB-like gene function is associated with decreased body weight and a characteristic microbiota profile. Microbiome, vol. 8, article 59. https://www.doi.org/10.1186/s40168-020-00837-6 (In English)
Bäckhed, F., Ding, H., Wang, T. et al. (2004) The gut microbiota as an environmental factor that regulates fat storage. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, vol. 101, no. 44, pp. 15718–15723. https://www.doi.org/10.1073/pnas.0407076101 (In English)
Blundell, J., de Graaf, C., Hulshof, T. et al. (2010) Appetite control: Methodological aspects of the evaluation of foods. Obesity Reviews, vol. 11, no. 3, pp. 251–270. https://www.doi.org/10.1111/j.1467-789X.2010.00714.x (In English)
Breton, J., Legrand, R., Akkermann, K. et al. (2016a) Elevated plasma concentrations of bacterial ClpB protein in patients with eating disorders. International Journal of Eating Disorders, vol. 49, no. 8, pp. 805–808. https://www.doi.org/10.1002/eat.22531 (In English)
Breton, J., Tennoune, N., Lucas, N. et al. (2016b) Gut commensal E. coli proteins activate host satiety pathways following nutrient-induced bacterial growth. Cell Metabolism, vol. 23, no. 2, pp. 324–334. https://www.doi.org/10.1016/j.cmet.2015.10.017 (In English)
Byrne, C. S., Chambers, E. S., Morrison, D. J., Frost, G. (2015) The role of short chain fatty acids in appetite regulation and energy homeostasis. International Journal of Obesity, vol. 39, no. 9, pp. 1331–1338. https://www.doi.org/10.1038/ijo.2015.84 (In English)
Campos, C. A., Shiina, H., Ritter, R. C. (2014) Central vagal afferent endings mediate reduction of food intake by melanocortin-3/4 receptor agonist. Journal of Neuroscience, vol. 34, no. 38, pp. 12636–12645. https://www.doi.org/10.1523/JNEUROSCI.1121-14.2014 (In English)
Chaskiel, L., Paul, F., Gerstberger, R. et al. (2016) Brainstem metabotropic glutamate receptors reduce food intake and activate dorsal pontine and medullar structures after peripheral bacterial lipopolysaccharide administration. Neuropharmacology, vol. 107, pp. 146–159. https://www.doi.org/10.1016/j.neuropharm.2016.03.030 (In English)
Chen, H., Nwe, P.-K., Yang, Y. et al. (2019) A forward chemical genetic screen reveals gut microbiota metabolites that modulate host physiology. Cell, vol. 177, no. 5, pp. 1217–1231. https://www.doi.org/10.1016/j.cell.2019.03.036 (In English)
Cryan, J. F., Dinan, T. G. (2012) Mind-altering microorganisms: The impact of the gut microbiota on brain and behaviour. Nature Reviews Neuroscience, vol. 13, pp. 701–712. https://www.doi.org/10.1038/nrn3346 (In English)
Diaz Heijtz, R., Wang, S., Anuar, F. et al. (2011) Normal gut microbiota modulates brain development and behavior. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, vol. 108, no. 7, pp. 3047–3052. https://www.doi.org/10.1073/pnas.1010529108 (In English)
Dominique, M., Breton, J., Guérin, C. et al. (2019) Effects of macronutrients on the in vitro production of ClpB, a bacterial mimetic protein of α-MSH and its possible role in the satiety signaling. Nutrients, vol. 11, no. 9, article 2115. https://www.doi.org/10.3390/nu11092115 (In English)
Ericson, M. D., Schnell, S. M., Freeman, K. T., Haskell-Luevano, C. (2015) A fragment of the Escherichia coli ClpB heat-shock protein is a micromolar melanocortin 1 receptor agonist. Bioorganic & Medicinal Chemistry Letters, vol. 25, no. 22, pp. 5306–5308. https://www.doi.org/10.1016/j.bmcl.2015.09.046 (In English)
Fetissov, S. O. (2017) Role of the gut microbiota in host appetite control: Bacterial growth to animal feeding behaviour. Nature Reviews Endocrinology, vol. 13, no. 1, pp. 11–25. https://www.doi.org/10.1038/nrendo.2016.150 (In English)
Fetissov, S. O., Legrand, R., Lucas, N. (2019) Bacterial protein mimetic of peptide hormone as a new class of protein-based drugs. Current Medicinal Chemistry, vol. 26, no. 3, pp. 546–553. https://www.doi.org/10.2174/0929867324666171005110620 (In English)
Friedman, J. M., Mantzoros, C. S. (2015) 20 years of leptin: From the discovery of the leptin gene to leptin in our therapeutic armamentarium. Metabolism, vol. 64, no. 1, pp. 1–4. https://www.doi.org/10.1016/j.metabol.2014.10.023 (In English)
Hardie, D. G., Carling, D. (1997) The AMP-activated protein kinase. Fuel gauge of the mammalian cell? European Journal of Biochemistry, vol. 246, no. 2, pp. 259–273. https://www.doi.org/10.1111/j.1432-1033.1997.00259.x (In English)
Harris, E. C., Barraclough, B. (1998) Excess mortality of mental disorder. The British Journal of Psychiatry, vol. 173, no. 1, pp. 11–53. https://www.doi.org/10.1192/bjp.173.1.11 (In English)
Hata, T., Miyata, N., Takakura, S. et al. (2019) The gut microbiome derived from anorexia nervosa patients impairs weight gain and behavioral performance in female mice. Endocrinology, vol. 160, no. 10, pp. 2441–2452. https://www.doi.org/10.1210/en.2019-00408 (In English)
Hooks, K. B., Konsman, J. P., O’Malley, M. A. (2018) Microbiota-gut-brain research: A critical analysis. Behavioral and Brain Sciences, vol. 42, article e60. https://www.doi.org/10.1017/S0140525X18002133 (In English)
Hooper, L. V., Littman, D. R., Macpherson, A. J. (2012) Interactions between the microbiota and the immune system. Science, vol. 336, no. 6086, pp. 1268–1273. https://www.doi.org/10.1126/science.1223490 (In English)
Hopkins, M., Blundell, J. E. (2017) Energy metabolism and appetite control: Separate roles for fat-free mass and fat mass in the control of food intake in humans. In: Appetite and food intake: Central control. 2nd ed. Boca Raton: CRC Press / Taylor & Francis Publ., Chapter 12. PMID: 28880518. https://www.doi.org/10.1201/9781315120171-12 (In English)
Kennedy, G. C. (1953) The role of depot fat in the hypothalamic control of food intake in the rat. Proceedings of the Royal Society of London. Series B. Biological Sciences, vol. 140, no. 901, pp. 578–592. https://www.doi.org/10.1098/rspb.1953.0009 (In English)
Labouré, H., Van Wymelbeke, V., Fantino, M., Nicolaidis, S. (2002) Behavioral, plasma, and calorimetric changes related to food texture modification in men. American Journal of Physiology: Regulatory, Integrative and Comparative Physiology, vol. 282, no. 5, pp. R1501–R1511. https://www.doi.org/10.1152/ajpregu.00287.2001 (In English)
Legrand, R., Lucas, N., Dominique, M. et al. (2020) Commensal Hafnia alvei strain reduces food intake and fat mass in obese mice — a new potential probiotic for appetite and body weight management. International Journal of Obesity, vol. 44, no. 5, pp. 1041–1051. https://www.doi.org/10.1038/s41366-019-0515-9 (In English)
Liu, R., Wei, P., Keller, C. et al. (2021) Integrated label-free and 10-plex dileu isobaric tag quantitative methods for profiling changes in the mouse hypothalamic neuropeptidome and proteome: Assessment of the impact of the gut microbiome. Analytical Chemistry, vol. 92, no. 20, pp. 14021–14030. https://www.doi.org/10.1021/acs.analchem.0c02939 (In English)
Mayer, E. A. (2011) Gut feelings: The emerging biology of gut-brain communication. Nature Reviews Neuroscience, vol. 12, no. 8, pp. 453–466. https://www.doi.org/10.1038/nrn3071 (In English)
Mayer, J. (1953) Glucostatic mechanism of regulation of food intake. The New England Journal of Medicine, vol. 249, no. 1, pp. 13–16. https://doi.org/10.1056/NEJM195307022490104 (In English)
Mellinkoff, S. M., Frankland, M., Boyle, D., Greipel, M. (1956) Relationship between serum amino acid concentration and fluctuations in appetite. Journal of Applied Physiology, vol. 8, no. 5, pp. 535–538. https://www.doi.org/10.1152/jappl.1956.8.5.535 (In English)
Mogk, A., Deuerling, E., Vorderwulbecke, S. et al. (2003) Small heat shock proteins, ClpB and the DnaK system form a functional triade in reversing protein aggregation. Molecular Microbiology, vol. 50, no. 2, pp. 585–595. https://www.doi.org/10.1046/j.1365-2958.2003.03710.x (In English)
Mogk, A., Schlieker, C., Strub, C. et al. (2003) Roles of individual domains and conserved motifs of the AAA+ chaperone ClpB in oligomerization, ATP hydrolysis, and chaperone activity. Journal of Biological Chemistry, vol. 278, no. 20, pp. 17615–17624. https://doi.org/10.1074/jbc.M209686200 (In English)
Mutt, V. (ed.). (1988) Gastrointestinal hormones. Vol. 11. San Diego: Academic Press, 545 p. (In English)
Nicolaidis, S. (2011) Metabolic and humoral mechanisms of feeding and genesis of the ATP/ADP/AMP concept. Physiology & Behavior, vol. 104, no. 1, pp. 8–14. https://doi.org/10.1016/j.physbeh.2011.04.058 (In English)
O’Donnell, M. P., Fox, B. W., Chao, P.-H. et al. (2020) A neurotransmitter produced by gut bacteria modulates host sensory behaviour. Nature, vol. 583, no. 7816, pp. 415–420. https://doi.org/10.1038/s41586-020-2395-5 (In English)
Panaro, B. L., Tough, I. R., Engelstoft, M. S. et al. (2014) The melanocortin-4 receptor is expressed in enteroendocrine L cells and regulates the release of peptide YY and glucagon-like peptide 1 in vivo. Cell Metabolism, vol. 20, no. 6, pp. 1018–1029. https://doi.org/10.1016/j.cmet.2014.10.004 (In English)
Pavlov, I. P. (1951) Polnoe sobranie sochinenij [Full composition of writings]: In 6 vols. Vol. 2: In 2 books. 2nd ed. Moscow; Leningrad: USSR Academy of Sciences Publ., 592 p. (In Russian)
Powley, T. L., Spaulding, R. A., Haglof, S. A. (2011) Vagal afferent innervation of the proximal gastrointestinal tract mucosa: Chemoreceptor and mechanoreceptor architecture. The Journal of Comparative Neurology, vol. 519, no. 4, pp. 644–660. https://doi.org/10.1002/cne.22541 (In English)
Schalla, M. A., Stengel, A. (2016) Effects of microbiome changes on endocrine ghrelin signaling — a systematic review. Peptides, vol. 133, article 170388. https://doi.org/10.1016/j.peptides.2020.170388 (In English)
Schwartz, M. W., Woods, S. C., Porte, D. Jr. et al. (2000) Central nervous system control of food intake. Nature, vol. 404, no. 6778, pp. 661–671. https://doi.org/10.1038/35007534 (In English)
Sender, R., Fuchs, S., Milo, R. (2016) Revised estimates for the number of human and bacteria cells in the body. PLoS Biology, vol. 14, no. 8, article e1002533. https://doi.org/10.1371/journal.pbio.1002533 (In English)
Shechter, A., Schwartz, G. J. (2018) Gut-brain nutrient sensing in food reward. Appetite, vol. 122, pp. 32–35. https://doi.org/10.1016/j.appet.2016.12.009 (In English)
Strohmayer, A. J., Smith, G. P. (1987) The meal pattern of genetically obese (ob/ob) mice. Appetite, vol. 8, no. 2, pp. 111–123. https://doi.org/10.1016/S0195-6663(87)80004-1 (In English)
Suvorov, A. (2013) Gut microbiota, probiotics, and human health. Bioscience of Microbiota, Food and Health, vol. 32, no. 3, pp. 81–91. https://doi.org/10.12938/bmfh.32.81 (In English)
Swartz, T. D., Duca, F. A., de Wouters, T. et al. (2012) Up-regulation of intestinal type 1 taste receptor 3 and sodium glucose luminal transporter-1 expression and increased sucrose intake in mice lacking gut microbiota. British Journal of Nutrition, vol. 107, no. 5, pp. 621–630. https://doi.org/10.1017/S0007114511003412 (In English)
Tennoune, N., Chan, P., Breton, J. et al. (2014) Bacterial ClpB heat-shock protein, an antigen-mimetic of the anorexigenic peptide α-MSH, at the origin of eating disorders. Translational Psychiatry, vol. 4, no. 10, article e458. https://doi.org/10.1038/tp.2014.98 (In English)
Turnbaugh, P. J., Ley, R. E., Hamady, M. et al. (2007) The human microbiome project. Nature, vol. 449, no. 7164, pp. 804–810. https://doi.org/10.1038/nature06244 (In English)
Turnbaugh, P. J., Ley, R. E., Mahowald, M. A. et al. (2006) An obesity-associated gut microbiome with increased capacity for energy harvest. Nature, vol. 444, no. 7122, pp. 1027–1031. https://doi.org/10.1038/nature05414 (In English)
Ugolev, A. M. (1991) Teoriya adekvatnogo pitaniya i trofologiya [Adequate nutrition theory and trophology]. Leningrad: Nauka Publ., 270 p. (In Russian)
Van de Wouw, M., Schellekens, H., Dinan, T. G., Cryan, J. F. (2017) Microbiota-gut-brain axis: Modulator of host metabolism and appetite. The Journal of Nutrition, vol. 147, no. 5, pp. 727–745. https://doi.org/10.3945/jn.116.240481 (In English)
Williams, E. K., Chang, R. B., Strochlic, D. E. et al. (2016) Sensory neurons that detect stretch and nutrients in the digestive system. Cell, vol. 166, no. 1, pp. 209–221. https://doi.org/10.1016/j.cell.2016.05.011 (In English)
Wostmann, B. S. (1981) The germfree animal in nutritional studies. Annual Review of Nutrition, vol. 1, pp. 257–279. https://doi.org/10.1146/annurev.nu.01.070181.001353 (In English)
Загрузки
Опубликован
Выпуск
Раздел
Лицензия
Copyright (c) 2021 Сергей Олегович Фетисов
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution-NonCommercial» («Атрибуция — Некоммерческое использование») 4.0 Всемирная.
Автор предоставляет материалы на условиях публичной оферты и лицензии CC BY-NC 4.0. Эта лицензия позволяет неограниченному кругу лиц копировать и распространять материал на любом носителе и в любом формате, но с обязательным указанием авторства и только в некоммерческих целях. После публикации все статьи находятся в открытом доступе.
Авторы сохраняют авторские права на статью и могут использовать материалы опубликованной статьи при подготовке других публикаций, а также пользоваться печатными или электронными копиями статьи в научных, образовательных и иных целях. Право на номер журнала как составное произведение принадлежит издателю.
