У всех микроорганизмов есть ген, кодирующий 16S рРНК, необходимую для производства белков. Но точная последовательность ДНК у разных видов бактерий значительно отличается. Форма гена у E. coli совсем не такая, как у стафилококка. Так что, воспользовавшись универсальным анализом с последующим секвенированием ДНК, мы смогли провести перепись «кто здесь». Это примерно то же самое, что проводить перепись населения Нью-Йорка или Чикаго, чтобы узнать, сколько там живет учителей, юристов, полицейских и школьников. В данном случае нас интересовало, сколько присутствует клостридий, бактероидов, стрептококков и так далее, вплоть до тысяч отдельных видов бактерий. На основании результатов переписи мы смогли ответить на несколько важных вопросов.
Во-первых, влияет ли СТК на разнообразие бактерий? Другими словами, живет ли в мышах, принимавших антибиотик, такая же разношерстная компания микробов, как в мышах контрольной группы? В обоих образцах, безусловно, будет немало «учителей», «школьников» и «полицейских», потому что они широко распространены. Но будут ли там «актуарии» или «настройщики фортепиано» (редкие профессии)?
Мы обнаружили, что антибиотики, возможно из-за низкой дозы, не оказывали очевидного эффекта на бактериальное разнообразие. В образцах СТК-мышей и контрольной группы обнаружилось одинаковое количество «профессий».
А меняют ли медикаменты функции бактерий? Да. Большинство пищи, которую вы едите, переваривается в тонкой кишке. Остатки, добирающиеся до толстой кишки, переварить практически невозможно. И тут на помощь приходят бактерии. Вспомните: некоторые микробы толстой кишки переваривают этот материал и выделяют так называемые короткоцепные жирные кислоты (КЦЖК), которые всасываются в стенки кишечника. Эти КЦЖК составляют 5-15 % всех калорий, которые вы получаете за день. Если бы ваши микробы эффективнее добывали калории из «неперевариваемой» еды, вы получали бы еще больше питания и толстели.
Но что происходит с составом – относительными пропорциями между «учителями», «полисменами» и т. д. – при приеме СТК? Например, можно ожидать, что распределения этих профессий в Нью-Йорке и Чикаго будут более похожи между собой, чем, например, в Дели или Пекине. Вот модель, которую мы находим в кишечном микробиоме.
Тут стало уже интереснее. СТК меняет состав популяции кишечных микробов – это обнаружилось и в слепой кишке, и в фекалиях. Мы знали, что обычная доза антибиотика изменяет пропорции, но не знали, какое влияние окажут очень маленькие дозы. Оказалось, они вызывают тот же эффект.
Мы измерили их уровень в содержимом слепой кишки и обнаружили, что у СТК-мышей он намного выше, чем у контрольной группы. Это означало, что грызуны, принимавшие лекарства в начале жизни, когда развивались ткани, получали больше калорий от своих микробов.
Затем перешли к печени, главной метаболической фабрике тела. Она перерабатывает пищу, усвоенную кишечником, в том числе и КЦЖК, в полезные продукты – белки, источники энергии вроде сахаров и крахмалов, а также жировые молекулы для запасания энергии. Мы сравнили, какие гены чаще работали в печени наших подопечных.
Попадание точно в цель: печень СТК-мышей положительно регулировала гены, необходимые для производства жира и переноса его на периферию – в жировые слои животных. Было известно, что они набирают больше жира, так что откуда-то он должен был браться. Печень – вполне логичный источник. Она стратегически расположена между желудочно-кишечным трактом, где приобретается и вырабатывается энергия, и жировой тканью, где она хранится{147}.
* * *
Наш следующий эксперимент, спланированный и проведенный Лори, подробнее рассматривал, что происходит, когда мыши получают антибиотик (в нашем случае пенициллин) на ранней стадии жизни. В эксперименте Ильсына животным начинали давать лекарства сразу после отлучения от матери, в возрасте примерно двадцати четырех дней. Человеческий эквивалент этого возраста – не менее двенадцати месяцев. Лори же скармливала антибиотик беременным самкам, так что состав их микробов, в том числе вагинальных, менялся заранее. Новорожденные начинали жизнь с измененным микробиомом, при этом продолжали принимать лекарства. Как и предсказывалось, мыши, подвергнутые воздействию антибиотика при рождении, выросли больше, чем те, кому начали их давать позже. Этот эксперимент задал стандарт для всех последующих.
Затем Лори решила узнать, когда именно мышь начинает накапливать жир, при том, что растут они быстро с самого рождения. Появляется лишний жир в детстве или же для этого требуется какое-то время? Результаты эксперимента были ясными. У самцов отличия от контрольной группы начались в возрасте 16 недель, а у самок – в 20 недель (для мышей это зрелость). Но у обоих полов жир, если появился, оставался до конца жизни.
После этого Лори посмотрела, какие бактерии доминировали в молодых мышах. В возрасте четырех недель в контрольных группах доминировали Lactobacillus, вагинальные бактерии матерей. Это было ожидаемо: мышей только-только отлучили от материнского молока, а в это время доминируют как раз лактобациллы.
Но вот в СТК-мышах они по большей части исчезли, их заняли другие группы. Судя по тому, что изменения в составе тела начались в возрасте шестнадцати недель, а микробы-обитатели были другими уже в четыре, мы сделали критически важный вывод: изменения микробиома происходят раньше, чем состава тела.
Элегантная работа, проделанная моим давним другом и коллегой Джеффом Гордона из университета Вашингтона в Сент-Луисе, помогла нам лучше понять собственные результаты. Джефф – один из титанов науки о микробиоме, уже многие годы исследует развитие и функции желудочно-кишечного тракта. Его группа изучала мышей с делецией гена, отвечающего за производство лептина, гормона «накорми-меня», который помогает регулировать аппетит и отвечает за принятие мозгом решения: хранить энергию или расходовать. У мышей с нарушением выработки лептина, так называемых ob/ob-мышей, развивается сильнейшее ожирение. Был поставлен вопрос: отличается ли их микробный состав от микробиоты здоровых грызунов?{148} Да. У каждого типа своя микробная популяция.
Затем Джеффу стало интересно, выполняют ли микробы разные метаболические роли. Он поместил содержимое кишечника жирных ob/ob мышей и здоровых животных в кишечники безмикробных мышей. У этих более тонкие стенки с меньшим количеством клеток, так что они не набирают вес так быстро. Но когда их превращают в «обычных»{149}, снова подсаживая микробы, как это влияет на их рост? Открытие стало мировой сенсацией: микробы, пересаженные от жирных мышей, заставили безмикробных быстрее набирать вес в сравнении с теми, кто получил микробы от здоровых грызунов.
Но стоит кое-что обдумать: у мышей в экспериментах Джеффа был генетический дефект, который, собственно, и сделал их жирными. Именно гены были первичной причиной, а изменение микробной популяции – вторичной. Хотя команда очень красиво охарактеризовала влияние микробов и их функций на ожирение, я считал, что они не добрались до главной причины. Кроме того, безмикробные мыши, которые дают нам очень элегантную систему для тестирования конкретных гипотез об иммунитете и обмене веществ, – полностью искусственные создания. Впрочем, несмотря на то что естественных безмикробных мышей и людей не существует, мы все равно можем узнать многое о фундаментальных принципах взаимодействия микробов и носителей.
Я сам считал, что вызванные антибиотиками пертурбации в составе микробов-обитателей сравнительно здоровых особей – это главное событие, влияющее на изменения в обмене веществ. (Точное доказательство сможем получить лишь не ранее, чем через два года.)
Затем мы спросили, что получится, если объединить СТК и диету с высоким содержанием жиров. Как мы все знаем, рационы наших детей в последние десятилетия стали намного богаче калориями благодаря сладким напиткам и жирной еде. Они сейчас употребляют больше калорий, чем одно-два поколения назад. Известно, что мыши становятся крупнее на более калорийной диете, но как повлияет на эту тенденцию СТК: усилит, ослабит или вообще никак себя не проявит?
Лори назвала этот эксперимент FatSTAT, и результаты опять-таки вышли интереснейшие. Как и ожидалось, мыши на жирной диете выросли больше, чем на нормальной. Но добавление антибиотиков привело к значительным изменениям.
Мы сымитировали методику выращивания сельскохозяйственных животных на современных фермах. Самцы от этого сочетания (жирная диета плюс антибиотик) выросли еще на 10 %, набрав и мышечную массу, и жир. Но самой поразительной оказалась разница в жировой массе: от жирной диеты с антибиотиками самцы набрали на 25 % больше жира, а вот самки – на поразительные 100 %. На жирной диете они набрали 5 граммов, а на диете с антибиотиками – 10. Количество удвоилось! Это немало, учитывая, что всего грызуны весят 20–30 граммов.
