Роль цукролітичних та протеолітичних продуктів ферментації в патогенезі метаболічно-асоційованих захворювань. Огляд літератури
DOI:
https://doi.org/10.30978/MG-2023-5-70Ключові слова:
коротколанцюгові жирні кислоти, цукролітичні продукти бродіння, протеолітичні продукти бродіння, ожиріння, цукровий діабет 2 типу, неалкогольна жирова хвороба печінкиАнотація
Висвітлено дані досліджень про роль цукролітичних та протеолітичних продуктів ферментації у патогенетичних механізмах розвитку метаболічно‑асоційованих захворювань. Наведено коротку характеристику складу, чисельності та функції нармального мікробіому кишечника. Представлено дані щодо особливостей цукролітичного та протеолітичного бродіння в кишечнику. Описано роль кишкової мікробіти у формуванні таких метаболічно‑асоційованих захворювань, як ожиріння, цукровий діабет 2 типу та неалкогольна жирова хвороба печінки. Наведено дані щодо впливу коротколанцюгових жирних кислот, а саме: пропіонату, сукцинату й бутирату, у регулюванні обміну та секреції інсуліну, лептипу, а також гормонів насичення — глюкагоноподібного пептиду‑1 і пептиду YY. Висвітлено роль протеолітичних продуктів ферментації в метаболізмі та функціонуванні осі кишечник — печінка, а також їхній вплив на процеси вуглеводного обміну. Описано вплив білково‑ферментаційних продуктів мікробіоти кишечника на прозапальні реакції кишечника та прогресування неалкогольної жирової хвороби печінки. Наведено комбіновані дані (отримані на гризунах та людях) щодо впливу коротколанцюгових жирних кислот на метаболізм жирової тканини. Доведено здатність ацетату інгібувати внутрішньоклітинний ліполіз в адипоцитах. Описано вплив основних коротколанцюгових жирних кислот на кишкову проникність. Зазначено найважливішу роль коротколанцюгових жирних кислот у розвитку запальних процесів, зокрема запалення низької градації, характерного для метаболічно‑асоційованих захворювань. Наведено дані досліджень ролі ацетату, бутирату та пропіонату при неалкогольній жировій хворобі печінки й цукровому діабеті 2 типу.
Посилання
Aberdein N, Schweizer M, Ball D. Sodium acetate decreases phosphorylation of hormone sensitive lipase in isoproterenol-stimulated 3T3-L1 mature adipocytes. Adipocyte. 2014 Apr 1;3(2):121-5. http://doi.org/10.4161/adip.27936. PMID: 24719785; PMCID: PMC3979876.
Andriamihaja M, Davila AM, Eklou-Lawson M, et al. Colon luminal content and epithelial cell morphology are markedly modified in rats fed with a high-protein diet. Am J Physiol Gastrointest Liver Physiol. 2010 Nov;299(5):G1030-7. http://doi.org/10.1152/ajpgi.00149.2010.
Bansal T, Alaniz RC, Wood TK, Jayaraman A. The bacterial signal indole increases epithelial-cell tight-junction resistance and attenuates indicators of inflammation. Proc Natl Acad Sci U S A. 2010 Jan 5;107(1):228-33. http://doi.org/10.1073/pnas.0906112107. PMID: 19966295; PMCID: PMC2806735.
Beaumont M, Neyrinck AM, Olivares M, et al. The gut microbiota metabolite indole alleviates liver inflammation in mice. FASEB J. 2018 Jun 15;32(12):fj201800544. http://doi.org/10.1096/fj.201800544. PMID: 29906245; PMCID: PMC6219839.
Canfora EE, Jocken JW, Blaak EE. Short-chain fatty acids in control of body weight and insulin sensitivity. Nat Rev Endocrinol. 2015 Oct;11(10):577-91. http://doi.org/10.1038/nrendo.2015.128. PMID: 26260141.
Canfora EE, Meex RCR, Venema K, Blaak EE. Gut microbial metabolites in obesity, NAFLD and T2DM. Nat Rev Endocrinol. 2019 May;15(5):261-73. http://doi.org/10.1038/s41574-019-0156-z. PMID: 30670819.
Cani PD, Amar J, Iglesias MA, et al. Metabolic endotoxemia initiates obesity and insulin resistance. Diabetes. 2007 Jul;56(7):1761-72. http://doi.org/10.2337/db06-1491.
Cani PD, Bibiloni R, Knauf C, et al. Changes in gut microbiota control metabolic endotoxemia-induced inflammation in high-fat diet-induced obesity and diabetes in mice. Diabetes. 2008 Jun;57(6):1470-81. http://doi.org/10.2337/db07-1403. PMID: 18305141.
Cervantes-Barragan L, Chai JN, Tianero MD, et al. Lactobacillus reuteri induces gut intraepithelial CD4+CD8αα+ T cells. Science. 2017 Aug 25;357(6353):806-10. http://doi.org/10.1126/science.aah5825. PMID: 28775213; PMCID: PMC5687812.
Chambers ES, Viardot A, Psichas A, et al. Effects of targeted delivery of propionate to the human colon on appetite regulation, body weight maintenance and adiposity in overweight adults. Gut. 2015 Nov;64(11):1744-54. http://doi.org/10.1136/gutjnl-2014-307913. PMID: 25500202; PMCID: PMC4680171.
Daubioul CA, Horsmans Y, Lambert P, Danse E, Delzenne NM. Effects of oligofructose on glucose and lipid metabolism in patients with nonalcoholic steatohepatitis: results of a pilot study. Eur J Clin Nutr. 2005 May;59(5):723-6. http://doi.org/10.1038/sj.ejcn.1602127. PMID: 15770222.
Delaere F, Duchampt A, Mounien L, et al. The role of sodium-coupled glucose co-transporter 3 in the satiety effect of portal glucose sensing. Mol Metab. 2012 Dec 7;2(1):47-53. http://doi.org/10.1016/j.molmet.2012.11.003. PMID: 24024129; PMCID: PMC3757661.
De Vadder F, Kovatcheva-Datchary P, Goncalves D, et al. Microbiota-generated metabolites promote metabolic benefits via gut-brain neural circuits. Cell. 2014 Jan 16;156(1-2):84-96. http://doi.org/10.1016/j.cell.2013.12.016. PMID: 24412651.
Dodd D, Spitzer MH, Van Treuren W, et al. A gut bacterial pathway metabolizes aromatic amino acids into nine circulating metabolites. Nature. 2017 Nov 30;551(7682):648-52. http://doi.org/10.1038/nature24661. PMID: 29168502; PMCID: PMC5850949.
Fernandes J, Vogt J, Wolever TM. Intravenous acetate elicits a greater free fatty acid rebound in normal than hyperinsulinaemic humans. Eur J Clin Nutr. 2012 Sep;66(9):1029-34. http://doi.org/10.1038/ejcn.2012.98. PMID: 22828730.
Flint HJ, Bayer EA, Rincon MT, Lamed R, White BA. Polysaccharide utilization by gut bacteria: potential for new insights from genomic analysis. Nat Rev Microbiol. 2008 Feb;6(2):121-31. http://doi.org/10.1038/nrmicro1817. PMID: 18180751.
Fouhy F, Ross RP, Fitzgerald GF, Stanton C, Cotter PD. Composition of the early intestinal microbiota: knowledge, knowledge gaps and the use of high-throughput sequencing to address these gaps. Gut Microbes. 2012 May-Jun;3(3):203-20. http://doi.org/10.4161/gmic.20169. PMID: 22572829.
Freeland KR, Wolever TM. Acute effects of intravenous and rectal acetate on glucagon-like peptide-1, peptide YY, ghrelin, adiponectin and tumour necrosis factor-alpha. Br J Nutr. 2010 Feb;103(3):460-6. http://doi.org/10.1017/S0007114509991863.
Frost G, Sleeth ML, Sahuri-Arisoylu M, et al. The short-chain fatty acid acetate reduces appetite via a central homeostatic mechanism. Nat Commun. 2014 Apr 29;5:3611. http://doi.org/10.1038/ncomms4611. PMID: 24781306.
Gao Z, Yin J, Zhang J, et al. Butyrate improves insulin sensitivity and increases energy expenditure in mice. Diabetes. 2009 Jul;58(7):1509-17. http://doi.org/10.2337/db08-1637. PMID: 19366864.
Girousse A, Tavernier G, Valle C, et al. Partial inhibition of adipose tissue lipolysis improves glucose metabolism and insulin sensitivity without alteration of fat mass. PLoS Biol. 2013;11(2):e1001485. http://doi.org/10.1371/journal.pbio.1001485. PMID: 23431266; PMCID: PMC3576369.
Henao-Mejia J, Elinav E, Jin C, et al. Inflammasome-mediated dysbiosis regulates progression of NAFLD and obesity. Nature. 2012 Feb 1;482(7384):179-85. http://doi.org/10.1038/nature10809. PMID: 22297845; PMCID: PMC3276682.
Hoyles L, Fernández-Real JM, Federici M, et al. Molecular phenomics and metagenomics of hepatic steatosis in non-diabetic obese women. Nat Med. 2018 Jul;24(7):1070-80. http://doi.org/10.1038/s41591-018-0061-3. PMID: 29942096.
Jain SK, Bull R, Rains JL, et al. Low levels of hydrogen sulfide in the blood of diabetes patients and streptozotocin-treated rats causes vascular inflammation? Antioxid Redox Signal. 2010 Jun 1;12(11):1333-7. http://doi.org/10.1089/ars.2009.2956. PMID: 20092409; PMCID: PMC2935346.
Jayashree B, Bibin YS, Prabhu D, et al. Increased circulatory levels of lipopolysaccharide (LPS) and zonulin signify novel biomarkers of proinflammation in patients with type 2 diabetes. Mol Cell Biochem. 2014 Mar;388(1-2):203-10. http://doi.org/10.1007/s11010-013-1911-4. PMID: 24347174.
Jocken JWE, González Hernández MA, Hoebers NTH, et al. Short-chain fatty acids differentially affect intracellular lipolysis in a human white adipocyte model. Front Endocrinol (Lausanne). 2018 Jan 11;8:372. http://doi.org/10.3389/fendo.2017.00372. PMID: 29375478; PMCID: PMC5768634.
Karlsson F, Tremaroli V, Nielsen J, Bäckhed F. Assessing the human gut microbiota in metabolic diseases. Diabetes. 2013 Oct;62(10):3341-9. http://doi.org/10.2337/db13-0844. PMID: 24065795; PMCID: PMC3781439.
Kelly CJ, Zheng L, Campbell EL, et al. Crosstalk between microbiota-derived short-chain fatty acids and intestinal epithelial HIF augments tissue barrier function. Cell Host Microbe. 2015 May 13;17(5):662-71. http://doi.org/10.1016/j.chom.2015.03.005. PMID: 25865369; PMCID: PMC4433427.
Koppe L, Pillon NJ, Vella RE, et al. p-Cresyl sulfate promotes insulin resistance associated with CKD. J Am Soc Nephrol. 2013 Jan;24(1):88-99. http://doi.org/10.1681/ASN.2012050503. PMID: 23274953; PMCID: PMC3537215.
Larraufie P, Martin-Gallausiaux C, Lapaque N, et al. SCFAs strongly stimulate PYY production in human enteroendocrine cells. Sci Rep. 2018 Jan 8;8(1):74. http://doi.org/10.1038/s41598-017-18259-0. PMID: 29311617; PMCID: PMC5758799.
Le Roy T, Llopis M, Lepage P, et al. Intestinal microbiota determines development of non-alcoholic fatty liver disease in mice. Gut. 2013 Dec;62(12):1787-94. http://doi.org/10.1136/gutjnl-2012-303816. PMID: 23197411.
Li J, Jia H, Cai X, et al.; MetaHIT Consortium. An integrated catalog of reference genes in the human gut microbiome. Nat Biotechnol. 2014 Aug;32(8):834-41. http://doi.org/10.1038/nbt.2942. PMID: 24997786.
Li Z, Yi CX, Katiraei S, et al. Butyrate reduces appetite and activates brown adipose tissue via the gut-brain neural circuit. Gut. 2018 Jul;67(7):1269-79. http://doi.org/10.1136/gutjnl-2017-314050. PMID: 29101261.
Liu R, Hong J, Xu X, et al. Gut microbiome and serum metabolome alterations in obesity and after weight-loss intervention. Nat Med. 2017 Jul;23(7):859-68. http://doi.org/10.1038/nm.4358. PMID: 28628112.
Maier L, Pruteanu M, Kuhn M, et al. Extensive impact of non-antibiotic drugs on human gut bacteria. Nature. 2018 Mar 29;555(7698):623-8. http://doi.org/10.1038/nature25979. PMID: 29555994.
Malaguarnera M, Vacante M, Antic T, et al. Bifidobacterium longum with fructo-oligosaccharides in patients with non alcoholic steatohepatitis. Dig Dis Sci. 2012 Feb;57(2):545-53. http://doi.org/10.1007/s10620-011-1887-4. PMID: 21901256.
McNelis JC, Lee YS, Mayoral R, et al.. GPR43 Potentiates β-Cell Function in Obesity. Diabetes. 2015 Sep;64(9):3203-17. http://doi.org/10.2337/db14-1938. PMID: 26023106.
Mouzaki M, Comelli EM, Arendt BM, et al. Intestinal microbiota in patients with nonalcoholic fatty liver disease. Hepatology. 2013 Jul;58(1):120-7. http://doi.org/10.1002/hep.26319. PMID: 23401313.
Pingitore A, Chambers ES, Hill T, et al. The diet-derived short chain fatty acid propionate improves beta-cell function in humans and stimulates insulin secretion from human islets in vitro. Diabetes Obes Metab. 2017 Feb;19(2):257-65. http://doi.org/10.1111/dom.12811. PMID: 27761989.
Prakash S, Tomaro-Duchesneau C, Saha S, Cantor A. The gut microbiota and human health with an emphasis on the use of microencapsulated bacterial cells. J Biomed Biotechnol. 2011;2011:981214. http://doi.org/10.1155/2011/981214. PMID: 21772792; PMCID: PMC3134400.
Priyadarshini M, Villa SR, Fuller M, et al. An acetate-specific GPCR, FFAR2, regulates insulin secretion. Mol Endocrinol. 2015 Jul;29(7):1055-66. http://doi.org/10.1210/me.2015-1007.
Pussinen PJ, Havulinna AS, Lehto M, Sundvall J, Salomaa V. Endotoxemia is associated with an increased risk of incident diabetes. Diabetes Care. 2011 Feb;34(2):392-7. http://doi.org/10.2337/dc10-1676. PMID: 21270197.
Qin J, Li R, Raes J, Arumugam M, Burgdorf KS, Manichanh C, Nielsen T, Pons N, Levenez F, Yamada T, Mende DR, Li J, Xu J, Li S, Li D, Cao J, Wang B, Liang H, Zheng H, Xie Y, Tap J, Lepage P, Bertalan M, Batto JM, Hansen T, Le Paslier D, Linneberg A, Nielsen HB, Pelletier E, Renault P, Sicheritz-Ponten T, Turner K, Zhu H, Yu C, Li S, Jian M, Zhou Y, Li Y, Zhang X, Li S, Qin N, Yang H, Wang J, Brunak S, Doré J, Guarner F, Kristiansen K, Pedersen O, Parkhill J, Weissenbach J; MetaHIT Consortium; Bork P, Ehrlich SD, Wang J. A human gut microbial gene catalogue established by metagenomic sequencing. Nature. 2010 Mar 4;464(7285):59-65. http://doi.org/10.1038/nature08821.
Reimer RA, Darimont C, Gremlich S, Nicolas-Métral V, Rüegg UT, Macé K. A human cellular model for studying the regulation of glucagon-like peptide-1 secretion. Endocrinology. 2001 Oct;142(10):4522-8. http://doi.org/10.1210/endo.142.10.8415. PMID: 11564718.
Robertson MD, Bickerton AS, Dennis AL, Vidal H, Frayn KN. Insulin-sensitizing effects of dietary resistant starch and effects on skeletal muscle and adipose tissue metabolism. Am J Clin Nutr. 2005 Sep;82(3):559-67. PMID: 16155268.
Round JL, Mazmanian SK. The gut microbiota shapes intestinal immune responses during health and disease. Nat Rev Immunol. 2009 May;9(5):313-23. http://doi.org/10.1038/nri2515. PMID: 19343057.
Russell WR, Gratz SW, Duncan SH, et al. High-protein, reduced-carbohydrate weight-loss diets promote metabolite profiles likely to be detrimental to colonic health. Am J Clin Nutr. 2011 May;93(5):1062-72. http://doi.org/10.3945/ajcn.110.002188. PMID: 21389180.
Schmidt TSB, Raes J, Bork P. The human gut microbiome: from association to modulation. Cell. 2018 Mar 8;172(6):1198-215. http://doi.org/10.1016/j.cell.2018.02.044. PMID: 29522742.
Tannahill GM, Curtis AM, Adamik J, et al. Succinate is an inflammatory signal that induces IL-1β through HIF-1α. Nature. 2013 Apr 11;496(7444):238-42. http://doi.org/10.1038/nature11986. PMID: 23535595; PMCID: PMC4031686.
Wang B, Jiang X, Cao M, et al. Altered fecal microbiota correlates with liver biochemistry in nonobese patients with non-alcoholic fatty liver disease. Sci Rep. 2016 Aug 23;6:32002. http://doi.org/10.1038/srep32002. PMID: 27550547; PMCID: PMC4994089.
Wang HB, Wang PY, Wang X, Wan YL, Liu YC. Butyrate enhances intestinal epithelial barrier function via up-regulation of tight junction protein claudin-1 transcription. Dig Dis Sci. 2012 Dec;57(12):3126-35. http://doi.org/10.1007/s10620-012-2259-4. PMID: 22684624.
Wong JM, de Souza R, Kendall CW, Emam A, Jenkins DJ. Colonic health: fermentation and short chain fatty acids. J Clin Gastroenterol. 2006 Mar;40(3):235-43. http://doi.org/10.1097/00004836-200603000-00015. PMID: 16633129.
Wu L, Yang W, Jia X, et al. Pancreatic islet overproduction of H2S and suppressed insulin release in Zucker diabetic rats. Lab Invest. 2009 Jan;89(1):59-67. http://doi.org/10.1038/labinvest.2008.109. PMID: 19002107.
Yamashita H, Maruta H, Jozuka M, et al. Effects of acetate on lipid metabolism in muscles and adipose tissues of type 2 diabetic Otsuka Long-Evans Tokushima Fatty (OLETF) rats. Biosci Biotechnol Biochem. 2009 Mar 23;73(3):570-6. http://doi.org/10.1271/bbb.80634. PMID: 19270372.
Yang G, Yang W, Wu L, Wang R. H2S, endoplasmic reticulum stress, and apoptosis of insulin-secreting beta cells. J Biol Chem. 2007 Jun 1;282(22):16567-76. http://doi.org/10.1074/jbc.M700605200. PMID: 17430888.
Yao CK, Muir JG, Gibson PR. Review article: insights into colonic protein fermentation, its modulation and potential health implications. Aliment Pharmacol Ther. 2016 Jan;43(2):181-96. http://doi.org/10.1111/apt.13456. PMID: 26527169.
Zhao L, Zhang F, Ding X, et al. Gut bacteria selectively promoted by dietary fibers alleviate type 2 diabetes. Science. 2018 Mar 9;359(6380):1151-6. http://doi.org/10.1126/science.aao5774. PMID: 29590046.
Zhang L, Yang G, Untereiner A, Ju Y, Wu L, Wang R. Hydrogen sulfide impairs glucose utilization and increases gluconeogenesis in hepatocytes. Endocrinology. 2013 Jan;154(1):114-26. http://doi.org/10.1210/en.2012-1658. PMID: 23183179.
Zhu L, Baker SS, Gill C, et al. Characterization of gut microbiomes in nonalcoholic steatohepatitis (NASH) patients: a connection between endogenous alcohol and NASH. Hepatology. 2013 Feb;57(2):601-9. http://doi.org/10.1002/hep.26093. PMID: 23055155.
##submission.downloads##
Опубліковано
Номер
Розділ
Ліцензія
Авторське право (c) 2023 Автори
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution-NoDerivatives 4.0 International License.
