Спускаясь в люк
Очевидный способ попасть в кишечник – через рот. Но бактерия, которая хочет присоединиться к кишечному микробиому, должна проделать долгий путь. И она может очутиться в самых разных местах.
Желудочно-кишечный тракт человека – единая система, но в ней можно выделить несколько областей, существенно отличающихся друг от друга. Три основные – желудок, тонкий кишечник (уложенный в брюшной полости) и толстый кишечник, или толстая кишка. Если представить все это как одну прямую трубку, ее общая длина (для взрослого) составит целых 7 м.
Проследим за маршрутом потребляемой еды. Рот богат микробами, однако содержимое желудка (смесь измельченной пищи, слюны и высококислотных выделений, помогающих расщеплять поступающие с пищей белки) поддерживает существование лишь десяти микробных клеток на грамм. Далее количество бактерий стремительно возрастает. К тому времени как мы достигнем двенадцатиперстной кишки, первой части тонкого кишечника (как мы знаем, он довольно длинный), плотность микробного населения составит уже 1000 организмов на грамм; при движении по тонкому кишечнику нас ждет рост этой величины еще в 10 тысяч раз: последний участок тонкого кишечника содержит 10 миллионов микробных клеток на грамм. Однако самый большой количественный скачок происходит между тонким и толстым кишечником. Толстую кишку, последнюю из основных частей нашего кишечника, когда-то считали довольно примитивной трубкой, где реабсорбируется жидкость из материала, который вот-вот превратится в фекалии. Однако именно здесь кормится несусветное количество микробов – миллион миллионов (1012) на грамм.
Вся эта живность обитает в зоне, чье сложное устройство, сформировавшееся в ходе эволюции, само являет собой микроскопическое чудо. Как толстый, так и тонкий кишечник выполняет две работы, требования к которым противоречивы. В отличие от кожи, на которой спокойно резвятся микробы, поверхность кишечника не может действовать просто как барьер. Все малые молекулы, производимые при переваривании пищи (главное занятие этого органа), должны абсорбироваться в кровь, чтобы их можно было использовать там, где они требуются. А значит, кишечник должен обладать не слишком толстой оболочкой и как можно большей поверхностью. Толщину оболочки легко оценить: для эпителия, внутреннего поверхностного слоя кишечника, она составляет около 10 микрон – примерно вдесятеро больше размера типичной бактерии. Площадь оценить труднее, поскольку кишечник имеет весьма извилистую форму. Если бы стенка кишечника (упомянутый нами тонкий слой) была плоской, она заняла бы меньше квадратного метра. Но она неплоская. Бесчисленные мелкие отростки (ворсинки) высовываются во внутреннее пространство кишечника – его полость. Каждая из этих ворсинок питает одноклеточной толщины слой эпителия. Но у клеток тоже есть внешний слой, едва различимый при помощи оптического микроскопа и кажущийся чуть щетинистым. Называется он щеточной каймой. Электронный микроскоп покажет вам, что она в свою очередь состоит из микроворсинок, усеивающих ту сторону клеточной мембраны, что обращена в сторону полости.
Подсчитать общую площадь всего этого – то же самое, что попытаться оценить общую поверхность самого пушистого из ваших банных полотенец. Анатомы сходятся во мнении, что этот показатель составляет от 200 до 250 м2 (что сравнимо с размером теннисного корта). Возможно, это и не очень точная оценка, однако все равно понятно, так сказать, на какой площадке идет игра. Ясно одно: мы имеем дело с большой цифрой.
И это хорошо. Кишечнику (как и легким с их мелко разветвленными альвеолами, предназначенными для газообмена) для проведения эффективного молекулярного переноса необходима большая территория. Но здесь мы сталкиваемся с другим требованием. Кишечник полон не только пищи, но и бактерий, а нам не хочется, чтобы бактерии попадали в кровь. Мы привыкли считать кожу главным препятствием на пути бактерий, которые пытаются глубже проникнуть в наши ткани, и она действительно выполняет немаловажную барьерную роль. Но кишечник куда больше по общей площади, и ему приходится иметь дело с куда более значительным количеством бактерий в течение куда более значительного времени. Как он с этим справляется?
Свой барьер тут тоже, конечно, имеется. Эпителий, как и все биологически активные пограничные слои, осуществляет молекулярный перенос, при этом преграждая путь более крупным объектам, вроде микробных клеток. Соседствующие эпителиальные клетки объединены белковой сетью в тесную структуру наподобие той, что используют многоклеточные (так называемое «плотное соединение»). Она также помогает задерживать нежелательных гостей.
Однако для полного ответа на вопрос следует вспомнить об иммунной системе. Поскольку кишечник – центр метаболизма и основная часть нашего микробиома, он является к тому же самым крупным участком действия всех молекулярных и клеточных объектов, обеспечивающих иммунитет. Присутствие в кишечнике триллионов бактерий, вероятно, является главной движущей силой развития иммунитета как в эволюционном масштабе, так и у каждого конкретного человека. Это влияние мы лишь сейчас начинаем осознавать. Подробнее о том, как оно меняет наши представления о живом, читайте в главе 7.
А пока давайте рассмотрим микробное содержимое самого плотно заселенного региона – толстой кишки. Здесь находится наиболее сложная микробная экосистема нашего тела, а по клеточному разнообразию и по количеству клеток на единицу объема – возможно, и вообще самая сложная экосистема в мире. Ей посвящена основная часть обзоров, где дается количественная оценка наших микробов и их генов. И чем больше людей обследуют ученые, тем большее разнообразие выявляется. Первый опубликованный каталог микробных генов, составленный на основе данных по 124 добровольцам, содержит 3,3 миллиона генов кишечника. Самый же новый[54], объединяющий результаты обследования примерно 1300 жителей Америки, Европы и Азии, доводит это количество до десятка миллионов.
Так что эта единая система/культура, в которую постоянно поступают питательные вещества и из которой с более или менее постоянной скоростью выводятся микробы (при каждом опорожнении кишечника из нее вымывается несколько триллионов живых и мертвых бактерий), и в самом деле устрашающе сложна. Впрочем, можно придумать кое-какие полезные упрощения, помогающие нам понять, что важнее в толстой кишке. Приведу два таких упрощения. Первое более противоречиво, чем второе.
Сейчас вовсю обсуждается идея, что кишечные микробиомы могут принадлежать к небольшому числу довольно широких типов. Она появилась при первом анализе данных проекта «Метагеномика желудочно-кишечного тракта человека» («Metagenomics of the Human Intestinal Tract», «metaHIT»), осуществлявшегося (главным образом европейскими специалистами) примерно в то же время, что и американский проект «Микробиом человека». В 2011 году участники проекта сообщили, что выявили три группы людей, которые можно разделить по особенностям кишечной микрофлоры. В каждой группе доминировала своя разновидность микробов – Bacteroides, Prevotella или Ruminococcus.
Последовали бурные споры. Можно ли разработать на основе этого открытия диагностические тесты, в которых давно назрела необходимость? Способно ли это открытие помочь при идентификации людей (как при опознании по группам крови)? Однако эти результаты получены на основе обследования всего 39 человек; чем больше образцов анализировали, тем туманнее становилась картина: обычная история. У группы из 35 шимпанзе, живущих в кенийском национальном парке Гомбе, выявили энтеротипы, в некоторых отношениях сходные с нашими[55]. Однако при повторном отборе пробы год спустя у одной и той же обезьяны иногда обнаруживается другой энтеротип, так что долговременная стабильность данных остается под вопросом. Изменения не следуют какой-то явной закономерности. У одного семейства из трех особей (самец, самка и их мать) при первом отборе пробы обнаружили три разных энтеротипа (у каждого свой). Дальнейшие проверки показали, что эти энтеротипы со временем изменились, однако по-прежнему отличались друг от друга.
Я подробнее поговорю об эволюции микробиома в главе 6, пока же замечу, что в самом деле наблюдается тенденция к поддержанию соотношения энтеротипов (или хотя бы видовых кластеров), уходящая корнями в прошлое – к общему предку людей и шимпанзе. Домовые мыши, судя по работе 2014 года, также обладают такой особенностью, хотя пока удалось выявить лишь два их энтеротипа. Возможно, это лишь кластеры, выстраиваемые в соответствии с определенными параметрами. Возможно, это вообще лучший на данный момент способ описания того, что происходит с нашей микрофлорой: бактериальные кластеры в человеческих кишках отличаются от тех, которые мы находили у других животных. Ни у мышей, ни у шимпанзе пока не обнаружен энтеротип, где доминировали бы Prevotella.
Основная работа по изучению состава микробных популяций кишечника в зависимости от того, что человек (или мышь) ест, заключалась в выяснении того, как микробы влияют на ожирение (я коснусь этой проблемы в главе 8). Однако продолжается и более глубокий анализ данных проекта «Микробиом человека», предоставляющий новые подтверждения того, что микробиомы всех участков нашего тела, вероятно, существуют лишь в немногих широко распространенных состояниях, а все типичные кластеры микробных типов (свойственные кишечнику, рту, вагине и т. п.) можно обнаружить у здорового человека, имеющего эти органы. В интригующей статье, опубликованной группой ученых Мичиганского университета, перечислены все эти микробные типы, выявленные на основе анализа проб в рамках проекта «Микробиом человека»[56]. Как заявляет один из соавторов, Патрик Шлосс, удалось лишний раз подтвердить, что «не существует какого-то одного здорового человеческого микробиома». Обнаружены довольно таинственные корреляции, например, между составом микрофлоры рта, вагины, локтевых сгибов, заушных складок. Однако ярче всего прослеживаются корреляции между микрофлорой кишечника (или образцов кала) и микробными сообществами во рту. Как отмечает Шлосс, «по типу бактерий у вас во рту можно предсказать тип бактерий у вас в кишках». Возможно, это хорошая новость для тех, кто верит, будто можно стать здоровее, сознательно поедая «хорошие» бактерии.
Еще одно, менее противоречивое упрощение предполагает непосредственное изучение ошеломляющего разнообразия обитателей кишечного микробиома. Тут есть два аспекта: можно заниматься количеством видов, которые человек несет в себе и на себе, а можно обратиться к микробным различиям между людьми.
Микробное разнообразие в каждой толстой кишке громадно и обычно измеряется сотнями видов. Однако зачастую лишь несколько видов (может быть, с полдюжины) присутствуют в значительных количествах, а численность всех остальных постоянно остается на гораздо более низком уровне. Неизвестно, можно игнорировать эти длинные хвосты графика распределения или хотя бы какую-то их часть. Вероятно, эти малочисленные виды представляют некий ресурс, генофонд, из которого при необходимости можно черпать материал. При благоприятных условиях бактерии размножаются быстро, а значит, любое меньшинство может вмиг стать большинством. Однако такое положение вещей всё же заставляет обращать главное внимание на самые распространенные и массовые виды, тем самым помогая формировать приоритеты для дальнейших исследований.
Из первого обзора данных проекта «Микробиом человека» ученые вывели еще одно упрощение. Этот подход остается действенным и сегодня. Дело в том, что при выявлении видов, обнаруживаемых в кале, соответствующие микробиомы разных людей оказываются весьма различными. Но если не только применять разбиение на типы при помощи 16S рРНК, но и проанализировать весь массив ДНК иным способом, не обращая внимания на конкретные виды, картина становится более четкой.
Чтобы ее увидеть, нужно вычленить все фрагменты ДНК, похожие на функционирующие гены; такие фрагменты идентифицируют по характерным контрольным последовательностям. Будем игнорировать те, у которых нет явного аналога в базах данных. Выяснением того, что они делают, займемся позже. Но значительное число фрагментов, имеющих уже известные функции (или создающих такое впечатление), можно объединить в функциональные группы. Большинство генов кодируют ферменты. Метаболическая обработка часто представляет собой цепочку химических реакций, каждую из которых катализирует определенный фермент. Эти ферменты-заговорщики обычно кодируются наборами генов – так называемыми «метаболическими модулями».
Постройте карту распространенности таких модулей, и окажется, что вариации в функциях микробных генов между образцами гораздо меньше, чем можно было бы предположить, исходя из различий между представленными в этих образцах видами. Похоже, даже если у всех кишечных микробиомов неодинаковые бактерии (и бактериальные гены), их гены делают примерно одно и то же. Это верно и для других участков тела, откуда брались пробы для «Микробиома человека», но данные по кишечнику позволяют построить наиболее стабильную генетическую карту. Можно прийти к выводу, что пищеварительные функции кишечных бактерий, по-видимому, подвергаются тщательному внутреннему контролю[57].
Данные продолжают накапливаться, и их анализ не прекращается. Новые сведения заполняют пробелы в этой картине, однако не вносят в нее радикальных изменений. Расширенный каталог из 10 миллионов бактериальных генов, обнаруженных в кишечных образцах, предоставляет отличный материал для дальнейшей работы в этом направлении. Вот хитроумный вариант: когда удастся собрать всю нужную информацию, можно будет (несмотря на то что в базе данных значатся лишь индивидуальные гены) использовать ее для того, чтобы снова погрузиться в общую базу образцов и идентифицировать те микроорганизмы, которых мы не знали раньше. В природе гены никогда не встречаются как отдельные, изолированные куски ДНК: они собираются в хромосомы. У бактерий по одной хромосоме. Если компьютерное сопоставление покажет, что какая-то комбинация генов всегда встречается совместно, это означает, что они объединены в том или ином виде бактерий. Такой подход (идея соприсутствия) действительно позволяет составлять списки генов, соответствующих тем геномам видов, которые уже имеются в отдельных базах данных по бактериям с полностью секвенированным геномом. А значит, разработанный алгоритм действительно можно применять. Он позволит выявить не замечавшиеся прежде комбинации генов, представляющие совершенно новые виды, чью роль в микробном сообществе затем можно будет исследовать. Вот еще один метод просеивания информации с целью разглядеть невидимое.
Этот всеобъемлющий каталог позволил провести более детальный анализ индивидуального микробного разнообразия, который отчасти реабилитировал идею о «главном» кишечном микробиоме человека – в функциональном, а не в видовом отношении. Широкомасштабный анализ полного набора всех генов, какие когда-либо удавалось обнаружить в человеческом кишечнике (мы уже знаем, что их более 10 миллионов), также позволил ученым показать, что примерно 300 тысяч из них присутствуют почти у всех, кто сдал образцы. Каждый из нас в тот или иной момент времени несет в себе лишь около 600 тысяч бактериальных генов из этого набора. Так что, возможно, половина метагенома здорового кишечника у всех одинаковая.
Все это вполне понятно на интуитивном уровне. Даже если бактерии образуют экосистему путем случайной колонизации и в ходе последующей борьбы за существование, потенциальные питательные вещества в одной и той же (к примеру) толстой кишке должны оказаться у них в значительной мере сходными. А если какой-то вид не сможет использовать какие-то из присутствующих в системе непереваренных кормов, то ими воспользуется другой вид, задействуя такие же или сходные ферменты. Когда тот или иной вид приживется в системе, другому виду труднее поселиться в ней таким же манером. Результат – различные экосистемы со сходным коллективным метаболизмом. Это подводит нас к попытке получить общий ответ на вопрос, который немедленно возникает при мысли обо всех этих триллионах бактерий, населяющих кишечник. Вопрос такой: чем они там все занимаются?
