Hydrolaza soli żółciowych

Hydrolazy soli kwasów żółciowych (BSH) to enzymy bakteryjne , które rozkładają pierwszorzędowe kwasy żółciowe . Katalizują pierwszy etap metabolizmu kwasów żółciowych i utrzymują pulę kwasów żółciowych do dalszej modyfikacji przez mikroflorę . Enzymy BSH odgrywają rolę w szeregu funkcji gospodarza i drobnoustrojów, w tym w fizjologii gospodarza, odporności i ochronie przed patogenami.

Struktura

Hydrolazy soli kwasów żółciowych należą do rodziny hydrolaz N-końcowych nukleofilowych, charakteryzujących się autokatalityczną aktywacją przez N-końcowy nukleofil , a następnie rozszczepieniem wiązania amidowego. Większość enzymów BSH składa się z homotetramerów , chociaż wiadomo, że przyjmują one inne formy, w tym homodimery i heterotrimery . Wszystkie BSH zawierają katalityczną resztę nukleofilową Cys2, która znajduje się na N-końcu enzymu. Chociaż struktura BSH może się różnić, wykazano, że inne aminokwasy są konserwowane u bakterii przenoszących BSH. Należą do nich Arg18, Asp21, Asn82 i Arg228.

Metabolizm kwasów żółciowych

Dekoniugacja

Właściwości i specyfika podłoża

U ludzi pierwotne kwasy żółciowe są syntetyzowane z cholesterolu w wątrobie, tworząc kwas cholowy (CA), kwas chenodeoksycholowy lub kwas chenodeoksycholowy (CDCA). Te pierwszorzędowe kwasy żółciowe są następnie sprzęgane z aminokwasami glicyną lub tauryną i przechowywane w pęcherzyku żółciowym . Podczas trawienia są uwalniane, a ich właściwości detergentowe pomagają w rozkładzie lipidów w diecie. Podczas gdy większość pierwotnych kwasów żółciowych jest zawracana z powrotem do wątroby przez krążenie jelitowo-wątrobowe , niewielka część pozostaje w przewodzie pokarmowym, gdzie są modyfikowane przez bakterie przenoszące enzymy BSH.

Uważa się, że specyficzność BSH jest określona przez enzymatyczne różnice strukturalne i niewielkie różnice w składzie aminokwasów. Ogólnie uważa się, że więcej BSH preferuje kwasy żółciowe sprzężone z glicyną, chociaż zakres ich specyficzności może nie być jeszcze zrozumiały.

Mechanizm

Dekoniugacja rozpoczyna się od rozpoznania substratu, który składa się z rdzenia steroidowego i gliko- lub tauro-aminokwasu. Chociaż dokładny mechanizm rozpoznawania nie jest znany, postawiono hipotezę, że BSH rozpoznają substrat na podstawie sprzężonego aminokwasu. Po rozpoznaniu przez BSH dekoniugacja rozpoczyna się od nukleofilowego ataku Cys2 na wiązanie amidowe docelowego kwasu żółciowego. Następnie, tetraedryczny związek pośredni jest tworzony i stabilizowany przez Asn82 i Asn173, podczas gdy Arg18 stabilizuje ujemnie naładowany sulfhydryl na N-końcu Cys2. Ujemny ładunek na Cys2 jest rozdzielany przez deacylację wodą, aby ostatecznie wytworzyć niezwiązany pierwszorzędowy kwas żółciowy.

Mikrobiologiczne sprzężone kwasy żółciowe

Stwierdzono również, że BSH wykonują powieść funkcja: rekoniugacja. W przeciwieństwie do dekoniugacji, rekoniugacja kwasu żółciowego obejmuje dodanie aminokwasów do nieskoniugowanego kwasu żółciowego. Ponadto koniugacja mikrobiologicznych kwasów żółciowych nie ogranicza się do glicyny lub tauryny. Zamiast tego większość aminokwasów można skoniugować z niesprzężonym szkieletem. Postawiono hipotezę, że koniugacja kwasów żółciowych przez drobnoustroje zwiększa lub zmniejsza właściwości przeciwdrobnoustrojowe niektórych kwasów żółciowych, a ich obfitość może ulec zmianie w niektórych chorobach przewodu pokarmowego, chociaż ich dokładna rola w jelitach nie została w pełni wyjaśniona.

Wpływ na fizjologię i odporność człowieka

Fizjologia

Jedną z konsekwencji metabolizmu kwasów żółciowych jest różnorodność wpływu na gospodarza. W przypadku BSH zdekoniugowane kwasy żółciowe mogą wchodzić w interakcje z receptorami komórkowymi gospodarza, zmieniając w ten sposób aspekty fizjologii gospodarza. Kluczowym ludzkim receptorem komórkowym jest farnezoidowy receptor X (FXR), czynnik transkrypcyjny aktywowany kwasami żółciowymi, który reguluje syntezę i transport kwasów żółciowych. Po aktywacji FXR może hamować syntezę kwasów żółciowych i zmieniać pulę kwasów żółciowych. Bakterie posiadające BSH są związane z niższym poziomem ludzkiego cholesterolu, ponieważ wytwarzane przez nie wtórne kwasy żółciowe działają jako agoniści FXR i promują wydalanie cholesterolu. BSH mają również wpływ na metabolizm glukozy gospodarza, energię i wchłanianie lipidów. Poprzez TGR-5 BSH mogą regulować metabolizm glukozy gospodarza i wykazano, że korzystnie regulują poziom insuliny u diabetyków.

Odporność

Metabolizm kwasów żółciowych, a co za tym idzie BSH, wpływa na układ odpornościowy poprzez kształtowanie mikroflory jelitowej i puli kwasów żółciowych. BSH kształtują mikroflorę, zmieniając pulę kwasów żółciowych i tworząc substraty do dalszej modyfikacji przez inne bakterie jelitowe. Ponieważ działają jako strażnicy dalszej modyfikacji kwasów żółciowych, BSH odgrywają ważną rolę w produkcji niezwiązanych kwasów żółciowych, które można modyfikować do drugorzędowych kwasów żółciowych. Wtórne kwasy żółciowe mogą wpływać na odporność wrodzoną poprzez ich interakcje ze wspomnianymi powyżej receptorami kwasów żółciowych, FXR i TGR-5. FXR i TGR-5 są wyrażane przez jelitowe komórki odpornościowe, takie jak makrofagi, a także komórki NKT i komórki dendrytyczne. Wykazano, że FXR odgrywa rolę wraz z TLR-9 w hamowaniu stanu zapalnego. Interakcje TGR-5 z drugorzędowymi kwasami żółciowymi DCA i LCA mogą zapobiegać stanom zapalnym, a utrata tego receptora kwasów żółciowych jest związana ze stanem zapalnym w jelitach.

W chorobach autoimmunologicznych, takich jak cukrzyca typu 1 , mikrobiom jest zaburzony. Z powodu tej nierównowagi, stan chorobowy jelit jest związany ze zmianami puli kwasów żółciowych i różnymi filotypami BSH. W szczególności BSH o wysokiej aktywności są związane z chorobami, podczas gdy BSH o średniej aktywności są związane ze zdrowymi osobnikami.

Wpływ na mikroflorę jelitową

BSH mają kluczowe znaczenie dla przemian wtórnych kwasów żółciowych, które są przeprowadzane przez różnych członków mikroflory jelitowej. Skład mikrobiomu jelitowego jest częściowo kształtowany przez dekoniugowane pierwszorzędowe kwasy żółciowe udostępniane przez BSH. Modyfikacja pierwotnego produktu końcowego kwasu żółciowego z BSH do wtórnych kwasów żółciowych wytwarza kilka silnych środków przeciwdrobnoustrojowych, które mogą chronić mikroflorę jelitową przed patogenami. Wtórne kwasy żółciowe działają jak detergenty i niszczą błonę drobnoustrojów, przy czym niektóre kwasy żółciowe atakują określone typy bakterii, takie jak bakterie Gram-dodatnie. Pośrednio kwasy żółciowe kształtują mikroflorę jelitową poprzez regulację wrodzonego układu odpornościowego lub aktywację komórkowej maszynerii sygnalizacyjnej, która wyklucza niektóre bakterie z jelit.

Różnorodność

BSH są powszechnie spotykane w różnych rodzajach, takich jak Lactobacillus , Enterococcus i Bacteroides . Ostatnio postępy związane z projektem Human Microbiome Project umożliwiły identyfikację wariantów BSH występujących w jelitach człowieka. Obecnie znanych jest osiem filotypów BSH, przy czym niektóre filotypy występują w jednym rodzaju bakterii. BSH występujące w różnych rodzajach bakterii mogą mieć różną specyficzność substratową, co może mieć istotny wpływ na pulę kwasów żółciowych i mikroflorę jelitową.

Probiotyki

Ponieważ zarówno probiotyki , jak i żywe środki bioterapeutyczne stają się coraz bardziej zaawansowane, wybór szczepów staje się coraz ważniejszy dla dobrego projektowania produktów. BSH są często spotykane w kandydujących organizmach probiotycznych ze względu na ich niezliczone skutki zarówno dla zdrowia ludzkiego, jak i mikroflory jelitowej. Bifidobacteria i Lactobacilli to dwa popularne organizmy probiotyczne, z których oba niosą BSH. BSH odgrywają rolę w obniżaniu poziomu cholesterolu i detoksykacji kwasów żółciowych, które mogą uszkadzać jelita w wysokich stężeniach. Obecny problemy związane ze stosowaniem bakterii zawierających BSH w probiotykach obejmują biodostępność i dalszą modyfikację dekoniugowanych kwasów żółciowych do potencjalnie toksycznych wtórnych kwasów żółciowych.