Роль короткоцепочечных жирных кислот в функционировании оси микробиота – кишечник – головной мозг

  • Анастасия Станиславовна Люля Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь
  • Сергей Викторович Федорович Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь

Аннотация

Нарушение работы оси микробиота – кишечник – головной мозг может влиять на патогенез различных заболеваний центральной нервной системы, таких как болезнь Альцгеймера, болезнь Паркинсона, депрессия, расстройства аутистического спектра и др. Существует несколько механизмов коммуникации между кишечником и головным мозгом. Одним из них является синтез бактериальных метаболитов, которые могут оказывать прямое воздействие на клетки головного мозга. К ключевым метаболитам, обладающим такими свойствами, относятся короткоцепочечные жирные кислоты. Они синтезируются микробиотой прежде всего из пищевых волокон. Основными короткоцепочечными жирными кислотами в оси микробиота – кишечник – головной мозг являются пропионовая и масляная кислоты. В целом на данный момент сложилось мнение, что пропионовая кислота оказывает главным образом нейротоксичное действие, а масляная кислота – нейропротекторное. Однако подобное разделение достаточно условно. Оба вещества способны проникать через гематоэнцефалический барьер. Их концентрация в цереброспинальной жидкости и плазме крови, согласно большинству исследований, варьируется в диапазоне 2–20 мкмоль/л, но при некоторых патологиях может повышаться до 5 ммоль/л. Действие короткоцепочечных жирных кислот на клетки центральной нервной системы опосредовано главным образом специфическими G-белок-связанными рецепторами и эпигенетическими механизмами. В то же время нельзя исключать, что в действие короткоцепочечных жирных кислот на нейроны вовлечены и другие потенциальные сигнальные пути. Расшифровка механизмов регуляции работы нейронов с помощью пропионовой и масляной кислот позволит выявить новые фармакологические мишени для лечения различных заболеваний центральной нервной системы.

Биографии авторов

Анастасия Станиславовна Люля , Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь

аспирантка кафедры биохимии биологического факультета. Научный руководитель – С. В. Федорович

 

Сергей Викторович Федорович, Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь

кандидат биологических наук, доцент; доцент кафедры биохимии биологического факультета

 

Литература

  1. Chernevskaya ЕA, Beloborodova NV. Mikrobiota kishechnika pri kriticheskikh sostoyaniyakh (obzor) = Gut microbiome in critical illness (review). General Reanimatology. 2018;14(5):96–119. Russian, English. DOI: 10.15360/1813-9779-2018-5-96-119.
  2. Kandsperger S, Brunner R, Rupprecht R, Baghai TC. Depressive Störungen in der Adoleszenz: aktuelle Studienlage zur Mikrobiota-Darm-Hirn-Achse. Zeitschrift für Kinder- und Jugendpsychiatrie und Psychotherapie. 2023;51(6):419–428. DOI: 10.1024/1422-4917/a000917.
  3. Derrien M, Collado MC, Ben-Amor K, Salminen S, de Vos WM. The mucin degrader Akkermansia muciniphila is an abundant resident of the human intestinal tract. Applied and Environmental Microbiology. 2008;74(5):1646–1648. DOI: 10.1128/AEM.01226-07.
  4. Barki N, Bolognini D, Börjesson U, Jenkins L, Riddell J, Hughes D, et al. Chemogenetics defines a short-chain fatty acid receptor gut – brain axis. eLife. 2022;11:e73777. DOI: 10.7554/eLife.73777.
  5. Fock E, Parnova R. Mechanisms of blood – brain barrier protection by microbiota-derived short-chain fatty acids. Cells. 2023;12(4):657. DOI: 10.3390/cells12040657.
  6. Gorlova EA. Microbiota and intellect. University Therapeutic Journal. 2021;3(2):39–47. Russian.
  7. Kim Y-K, Shin C. The microbiota – gut – brain axis in neuropsychiatric disorders: pathophysiological mechanisms and novel treatments. Current Neuropharmacology. 2018;16(5):559–573. DOI: 10.2174/1570159X15666170915141036.
  8. Ney L-M, Wipplinger M, Grossmann M, Engert N, Wegner VD, Mosig AS. Short chain fatty acids: key regulators of the local and systemic immune response in inflammatory diseases and infections. Open Biology. 2023;13(3):230014. DOI: 10.1098/rsob.230014.
  9. Del Colle A, Israelyan N, Gross Margolis K. Novel aspects of enteric serotonergic signaling in health and brain – gut disease. Gastrointestinal and Liver Physiology. 2020;318(1):G130–G143. DOI: 10.1152/ajpgi.00173.2019.
  10. Reigstad CS, Salmonson CE, Rainey JF 3rd, Szurszewski JH, Linden DR, Sonnenburg JL, et al. Gut microbes promote colonic serotonin production through an effect of short-chain fatty acids on enterochromaffin cells. The FASEB Journal. 2015;29(4):1395–1403. DOI: 10.1096/fj.14-259598.
  11. Yano JM, Yu K, Donaldson GP, Shastri GG, Ann P, Ma L, et al. Indigenous bacteria from the gut microbiota regulate host serotonin biosynthesis. Cell. 2015;161(2):264–276. DOI: 10.1016/j.cell.2015.02.047.
  12. Chen T, Long W, Zhang C, Liu S, Zhao L, Hamaker BR. Fiber-utilizing capacity varies in Prevotella-versus Bacteroides-dominated gut microbiota. Scientific Reports. 2017;7:2594. DOI: 10.1038/s41598-017-02995-4.
  13. Ríos-Covián D, Ruas-Madiedo P, Margolles A, Gueimonde M, de los Reyes-Gavilán CG, Salazar N. Intestinal short chain fatty acids and their link with diet and human health. Frontiers in Microbiology. 2016;7:185. DOI: 10.3389/fmicb.2016.00185.
  14. Venegas DP, De la Fuente MK, Landskron G, González MJ, Quera R, Dijkstra G, et al. Short chain fatty acids (SCFAs)-mediated gut epithelial and immune regulation and its relevance for inflammatory bowel diseases. Frontiers in Immunology. 2019;10:277. DOI: 10.3389/fimmu.2019.00277.
  15. Blaak EE, Canfora EE, Theis S, Frost G, Groen AK, Mithieux G, et al. Short chain fatty acids in human gut and metabolic health. Beneficial Microbes. 2020;11(5):411–455. DOI: 10.3920/BM2020.0057.
  16. Chevalier AC, Rosenberger TA. Increasing acetyl-CoA metabolism attenuates injury and alters spinal cord lipid content in mice subjected to experimental autoimmune encephalomyelitis. Journal of Neurochemistry. 2017;141(5):721–737. DOI: 10.1111/jnc.14032.
  17. Louis P, Flint HJ. Diversity, metabolism and microbial ecology of butyrate-producing bacteria from the human large intestine. FEMS Microbiology Letters. 2009;294(1):1–8. DOI: 10.1111/j.1574-6968.2009.01514.x.
  18. Louis P, Flint HJ. Formation of propionate and butyrate by the human colonic microbiota. Environmental Microbiology. 2017;19(1):29–41. DOI: 10.1111/1462-2920.13589.
  19. Vital M, Howe AC, Tiedje JM. Revealing the bacterial butyrate synthesis pathways by analyzing (meta)genomic data. mBio. 2014;5(2):e00889-14. DOI: 10.1128/mBio.00889-14.
  20. Champ MMJ. Physiological aspects of resistant starch and in vivo measurements. Journal of AOAC International. 2004;87(3):749–755. PMID: 15287675.
  21. Dalile B, Van Oudenhove L, Vervliet B, Verbeke K. The role of short-chain fatty acids in microbiota – gut – brain communication. Nature Reviews Gastroenterology and Hepatology. 2019;16(8):461–478. DOI: 10.1038/s41575-019-0157-3.
  22. den Besten G, van Eunen K, Groen AK, Venema K, Reijngoud D-J, Bakker BM. The role of short-chain fatty acids in the interplay between diet, gut microbiota, and host energy metabolism. Journal of Lipid Research. 2013;54(9):2325–2340. DOI: 10.1194/jlr.R036012.
  23. Cummings JH, Pomare EW, Branch WJ, Naylor CP, Macfarlane GT. Short chain fatty acids in human large intestine, portal, hepatic and venous blood. Gut. 1987;28(10):1221–1227. DOI: 10.1136/gut.28.10.1221.
  24. Duncan SH, Barcenilla A, Stewart CS, Pryde SE, Flint HJ. Acetate utilization and butyryl coenzyme A (CoA):acetate-CoA transferase in butyrate-producing bacteria from the human large intestine. Applied and Environmental Microbiology. 2002;68(10):5186–5190. DOI: 10.1128/AEM.68.10.5186-5190.2002.
  25. Duncan SH, Holtrop G, Lobley GE, Calder AG, Stewart CS, Flint HJ. Contribution of acetate to butyrate formation by human faecal bacteria. British Journal of Nutrition. 2004;91(6):915–923. DOI: 10.1079/BJN20041150.
  26. Miller TL, Wolin MJ. Pathways of acetate, propionate, and butyrate formation by the human fecal microbial flora. Applied and Environmental Microbiology. 1996;62(5):1589–1592. DOI: 10.1128/aem.62.5.1589-1592.1996.
  27. Buey B, Forcén A, Grasa L, Layunta E, Mesonero JE, Latorre E. Gut microbiota-derived short-chain fatty acids: novel regulators of intestinal serotonin transporter. Life. 2023;13(5):1085. DOI: 10.3390/life13051085.
  28. Killingsworth J, Sawmiller D, Shytle RD. Propionate and Alzheimer’s disease. Frontiers in Aging Neuroscience. 2020;12:580001. DOI: 10.3389/fnagi.2020.580001.
  29. O’Riordan KJ, Collins MK, Moloney GM, Knox EG, Aburto MR, Fülling C, et al. Short chain fatty acids: microbial metabolites for gut – brain axis signaling. Molecular and Cellular Endocrinology. 2022;546:111572. DOI: 10.1016/j.mce.2022.111572.
  30. Alruways MW. Impact of the exercise on the gut microbiota and short-chain fatty acids (SCFAs) production. Progress in Nutrition. 2023;25(1):e2023010. DOI: 10.23751/pn.v25i1.13614.
  31. Silva YP, Bernardi A, Frozza RL. The role of short-chain fatty acids from gut microbiota in gut – brain communication. Frontiers in Endocrinology. 2020;11:25. DOI: 10.3389/fendo.2020.00025.
  32. Mirzaei R, Bouzari B, Hosseini-Fard SR, Mazaheri M, Ahmadyousefi Y, Abdi M, et al. Role of microbiota-derived short-chain fatty acids in nervous system disorders. Biomedicine and Pharmacotherapy. 2021;139:111661. DOI: 10.1016/j.biopha.2021.111661.
  33. Sun J, Ling Z, Wang F, Chen W, Li H, Jin J, et al. Clostridium butyricum pretreatment attenuates cerebral ischemia/reperfusion injury in mice via anti-oxidation and anti-apoptosis. Neuroscience Letters. 2016;613:30–35. DOI: 10.1016/j.neulet.2015.12.047.
  34. Haijes HA, Jans JJM, Tas SY, Verhoeven-Duif NM, van Hasselt PM. Pathophysiology of propionic and methylmalonic acidemias. Part 1, Complications. Journal of Inherited Metabolic Disease. 2019;42(5):730–744. DOI: 10.1002/jimd.12129.
  35. Scholl-Bürgi S, Sass JO, Zschocke J, Karall D. Amino acid metabolism in patients with propionic acidaemia. Journal of Inherited Metabolic Disease. 2012;35(1):65–70. DOI: 10.1007/s10545-010-9245-9.
  36. Bourassa MW, Alim I, Bultman SJ, Ratan RR. Butyrate, neuroepigenetics and the gut microbiome: can a high fiber diet improve brain health? Neuroscience Letters. 2016;625:56–63. DOI: 10.1016/j.neulet.2016.02.009.
  37. Grüter T, Mohamad N, Rilke N, Blusch A, Sgodzai M, Demir S, et al. Propionate exerts neuroprotective and neuroregenerative effects in the peripheral nervous system. PNAS. 2023;120(4):e2216941120. DOI: 10.1073/pnas.2216941120.
  38. Yatskevich EV, Jawad M, Fedorovich SV. Influence of propionic and butyric acids on lipid peroxidation in rat brain and liver homogenates. Experimental Biology and Biotechnology. 2023;1:26–32. Russian.
  39. Serger E, Luengo-Gutierrez L, Chadwick JS, Kong G, Zhou L, Crawford G, et al. The gut metabolite indole-3 propionate promotes nerve regeneration and repair. Nature. 2022;607(7919):585–592. DOI: 10.1038/s41586-022-04884-x.
  40. Braniste V, Al-Asmakh M, Kowal C, Anuar F, Abbaspour A, Tóth M, et al. The gut microbiota influences blood – brain barrier permeability in mice. Science Translational Medicine. 2014;6(263):263ra158. DOI: 10.1126/scitranslmed.3009759.
  41. Dinan TG, Cryan JF. Gut instincts: microbiota as a key regulator of brain development, ageing and neurodegeneration. The Journal of Physiology. 2017;595(2):489–503. DOI: 10.1113/JP273106.
  42. Hoyles L, Snelling T, Umlai U-K, Nicholson JK, Carding SR, Glen RC, et al. Microbiome – host systems interactions: protective effects of propionate upon the blood – brain barrier. Microbiome. 2018;6:55. DOI: 10.1186/s40168-018-0439-y.
  43. Ahmed SMU, Luo L, Namani A, Wang XJ, Tang X. Nrf2 signaling pathway: pivotal roles in inflammation. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) – Molecular Basis of Disease. 2017;1863(2):585–597. DOI: 10.1016/j.bbadis.2016.11.005.
  44. Bellezza I, Giambanco I, Minelli A, Donato R. Nrf2-Keap1 signaling in oxidative and reductive stress. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) – Molecular Cell Research. 2018;1865(5):721–733. DOI: 10.1016/j.bbamcr.2018.02.010.
  45. Bachmann C, Colombo J-P, Berüter J. Short chain fatty acids in plasma and brain: quantitative determination by gas chromatography. Clinica Chimica Acta. 1979;92(2):153–159. DOI: 10.1016/0009-8981(79)90109-8.
  46. Halestrap AP, Wilson MC. The monocarboxylate transporter family – role and regulation. IUBMB Life. 2012;64(2):109–119. DOI: 10.1002/iub.572.
  47. Guo C, Huo Y-J, Li Y, Han Y, Zhou D. Gut – brain axis: focus on gut metabolites short-chain fatty acids. World Journal of Clinical Cases. 2022;10(6):1754–1763. DOI: 10.12998/wjcc.v10.i6.1754.
  48. Thangaraju M, Cresci GA, Liu K, Ananth S, Gnanaprakasam JP, Browning DD, et al. GPR109a is a G-protein-coupled receptor for the bacterial fermentation product butyrate and functions as a tumor suppressor in colon. Cancer Research. 2009;69(7):2826–2832. DOI: 10.1158/0008-5472.can-08-4466.
  49. Priyadarshini M, Kotlo KU, Dudeja PK, Layden BT. Role of short chain fatty acid receptors in intestinal physiology and pathophysiology. Comprehensive Physiology. 2018;8(3):1091–1115. DOI: 10.1002/cphy.c170050.
  50. Erny D, Jaitin D, Hrabě de Angelis AL, Jaitin D, Wieghofer P, Staszewski O, et al. Host microbiota constantly control maturation and function of microglia in the CNS. Nature Neuroscience. 2015;18(7):965–977. DOI: 10.1038/nn.4030.
  51. Zubareva OE, Melik-Kasumov TB. The gut – brain axis and peroxisome proliferator-activated receptors in the regulation of epileptogenesis. Zhurnal evolyutsionnoi biokhimii i fiziologii. 2021;57(4):273–288. Russian. DOI: 10.31857/s0044452921040070.
  52. Feng S, Jacobsen SE, Reik W. Epigenetic reprogramming in plant and animal development. Science. 2010;330(6004):622–627. DOI: 10.1126/science.1190614.
  53. Gupta R, Ambasta RK, Kumar P. Pharmacological intervention of histone deacetylase enzymes in the neurodegenerative disorders. Life Sciences. 2020;243:117278. DOI: 10.1016/j.lfs.2020.117278.
  54. González-Bosch C, Boorman E, Zunszain PA, Mann GE. Short-chain fatty acids as modulators of redox signaling in health and disease. Redox Biology. 2021;47:102165. DOI: 10.1016/j.redox.2021.102165.
  55. Zefirov AL, Mukhametzyanov RD, Zakharov AV, Mukhutdinova KA, Odnoshivkina UG, Petrov AM. Intracellular acidification suppresses synaptic vesicle mobilization in the motor nerve terminals. Acta Naturae. 2020;12(4):105–113. DOI: 10.32607/actanaturae.11054.
  56. Cryan JF, O’Riordan KJ, Cowan CSM, Sandhu KV, Bastiaanssen TFS, Boehme M, et al. The microbiota – gut – brain axis. Physiological Reviews. 2019;99(4):1877–2013. DOI: 10.1152/physrev.00018.2018.
Опубликован
2024-03-05
Ключевые слова: ось микробиота – кишечник – головной мозг, короткоцепочечные жирные кислоты, бактериальные метаболиты, пропионовая кислота, масляная кислота, головной мозг
Поддерживающие организации Работа выполнена при поддержке гранта ректора БГУ (на имя С. В. Федоровича).
Как цитировать
Люля , А. С., & Федорович, С. В. (2024). Роль короткоцепочечных жирных кислот в функционировании оси микробиота – кишечник – головной мозг. Экспериментальная биология и биотехнология, 1, 77-85. Доступно по https://journals.bsu.by/index.php/biology/article/view/5679
Выпуск
№ 1 (2024): Экспериментальная биология и биотехнология
Раздел
Краткие сообщения

Copyright (c) 2024 Экспериментальная биология и биотехнология

Лицензия Creative Commons

Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution-NonCommercial» («Атрибуция — Некоммерческое использование») 4.0 Всемирная.

Авторы, публикующиеся в данном журнале, соглашаются со следующим:

  1. Авторы сохраняют за собой авторские права на работу и предоставляют журналу право первой публикации работы на условиях лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial. 4.0 International (CC BY-NC 4.0).
  2. Авторы сохраняют право заключать отдельные контрактные договоренности, касающиеся неэксклюзивного распространения версии работы в опубликованном здесь виде (например, размещение ее в институтском хранилище, публикацию в книге) со ссылкой на ее оригинальную публикацию в этом журнале.
  3. Авторы имеют право размещать их работу в интернете (например, в институтском хранилище или на персональном сайте) до и во время процесса рассмотрения ее данным журналом, так как это может привести к продуктивному обсуждению и большему количеству ссылок на данную работу. (См. The Effect of Open Access).