Probiyotiklerin Sağlığa Etkilerini Anlamada Moleküler Yaklaşımlar Burcu KAPLAN TÜRKÖZ Ege Üniversitesi Mühendislik Fakültesi 0 Gıda Mühendisliği Bölümü
Probiyotiklerin tablet, toz ya da gıda ürünleri içerisinde hastalık önleyici ve tedavi amaçla kullanımı günümüzde giderek yaygınlaşmaktadır. Bununla birlikte probiyotik ürünler her bireyde aynı etkiyi göstermemektedir. Probiyotik kullanımı ile insan sağlığı arasındaki ilişkinin tam olarak anlaşılması için yapılan çalışmalar son yıllarda hız kazanmış ve probiyotiklerin bağışıklık sistemini ve epitel hücrelerin kararlılığını düzenledikleri gösterilmiştir. Bu etkilerin probiyotiklerin hücre duvarı bileşenleri, metabolik ürünleri ve proteinlerinin, insan hücreleri ile iletişim kurabilmesinden kaynaklandığı anlaşılmıştır. Hücrelerin kaderi (hücre ölümü, bölünmesi, dönüşmesi) protein-protein etkileşimlerine dayalı sinyal iletim sistemleri ile kontrol edilir. Sinyal iletiminde kilit mekanizma proteinprotein etkileşimleridir; farklı proteinlerin bir araya gelmesi hücrenin farklı tepkiler vermesine sebep olur. Patojenler ile yapılan çalışmalardan, bakteriyel proteinlerin insan sinyal iletimlerini düzenleyebildikleri bilinmektedir. Probiyotik proteinlerin de insan proteinleri ve bunların görev aldıkları sinyal iletim sistemlerini etkileyebildikleri düşünülmekte ve bu yönde yapılan moleküler çalışmalar giderek artmaktadır. İnsan hücreleri ile iletişim kuran probiyotik proteinlerin belirlenmesi, probiyotiklerin sağlık üzerindeki etkilerini detaylı olarak anlamamızı sağlayacak ve bu proteinlerin hedefe yönelik kullanımının önünü açacaktır. Bu sunumda probiyotik proteinlerin bağırsak epitel hücreleri ve bağışıklık sistemini etkileme mekanizmaları ile ilgili bilinenler özetlenecek ve gelecekte yapılabilecek çalışmalar tartışılacaktır. 1
Giriş Probiyotiklerin tablet, toz ya da gıda ürünleri içerisinde hastalık önleyici ve tedavi amaçla kullanımı günümüzde giderek yaygınlaşmaktadır. Bununla birlikte probiyotik ürünler her bireyde aynı etkiyi göstermemektedir. Probiyotik kullanımı ile insan sağlığı arasındaki ilişkinin tam olarak anlaşılması için yapılan çalışmalar son yıllarda hız kazanmış ve probiyotiklerin bağışıklık sistemini ve epitel hücrelerin kararlılığını düzenledikleri gösterilmiştir. Bu etkilerin probiyotiklerin hücre duvarı bileşenleri, metabolik ürünleri ve proteinlerinin, insan hücreleri ile iletişim kurabilmesinden kaynaklandığı anlaşılmıştır. Bu sunumda probiyotik proteinlerin bağırsak epitel hücreleri ve bağışıklık sistemini etkileme mekanizmaları ile ilgili bilinenler özetlenecek ve gelecekte yapılabilecek çalışmalar tartışılacaktır. 2
Mide-bağırsak florası Bakteriler: iyiler kötüler Mayalar İnsan hücreleri Epitel Bağışıklık 3
Mide-bağırsak florası Lümen Mukus tabakası Epitel hücreler Dinamik ve Etkileşim halinde Johnson, B. R., & Klaenhammer, T. R. (2014). Antonie van Leeuwenhoek, 106(1), 141 56. 4
Probiyotikler 5 https://microbewiki.kenyon.edu
Probiyotiklerin bilinen faydaları 1. Patojenlere karşı koruma Mide-bağırsak enfeksiyonlarında koruma/iyileştirme 6
Probiyotik etki mekanizmaları * besin için yarışma * hücre yüzeyine tutunmak için yarışma *bakteriyosin ve diğer antimikrobiyal maddelerin üretimi Patojenlere karşı karşıkoruma koruma Bermudez-Brito, M., et al., 2012. Annals of Nutrition & Metabolism, 61(2), 160 74.
Probiyotiklerin bilinen faydaları 1. Patojenlere karşı koruma 2. Epitel hücreleri koruma ve güçlendirme 3. Bağışıklık sistemini yönlendirme İnflamatuvar (iltihaplı) bağırsak hastalıkları (IBD) üst solunum yolu enfeksiyonları Kanser Metabolik hastalıklar 8
Probiyotik etki mekanizmaları epitel bariyerin kararlılığı Probiyotikler bağırsak epitel ve bağışıklık sistemi hücreleri ile etkileşim halindedir. Bağışıklık sistemini yönlendirme Bermudez-Brito, M., et al., 2012. Annals of Nutrition & Metabolism, 61(2), 160 74.
Probiyotik-insan hücre etkileşimleri 1. Hücre yüzeyi/dışı moleküllerin etkileşimleri 2. Hücre içi molekül etkileşimleri 10
Bakteri hücre yüzey molekülleri G(+) bakteri glikoproteinler Hücre yüzeyi ve salgılanan proteinler teikoik asitler polisakkarit peptidoglikan lipoprotein Lebeer, S et al.,2010 Nature Reviews. Microbiology, 8(3), 171 84. 11
Hücre yüzeyi/dışı moleküllerin etkileşimleri Reseptör: insan hücre yüzeyinde bulunan tanıyıcı proteinler Reseptörler bakteri yüzey moleküllerini tanırlar Hücre içi proteinlere haber verirler Proteinler etkileşerek hücrede değişikliğe yol açar Hücre tepki/ cevap verir. 12
Hücre dışı probiyotik proteinlerin etkileri Probiyotik Üstfaz insan hücre kültürü santrifugasyon Hücre dışı proteinler saflaştırma Hücrenin tepkisi 13 mikroskop biyokimyasal testler
Lactobacillus rhamnosus GG (LGG) ve yüzey proteinleri p40 ve p75 LGG nin hücre dışı proteinleri İnsan epitel hücreye etkileri p40 ve p75 proteinlerinin hücre dışına salgılandığını gösteren ve molekül ağırlıklarının kda cinsinden tespit edildiği akrilamid jel görüntüsü (Bäuerl ve ark, 2010) p40 ve p75 proteinlerinin sıkı bağlantılar üzerine hidrojen peroksit etkilerini azalttığını gösteren floresan mikroskop görüntüleri a. Kontrol grubu b. Hidrojen peroksit (H 2 O 2 ) varlığında c. H 2 O 2 ve p40 proteini varlığında d. H 2 O 2 ve p75 proteini varlığında (Seth ve ark., 2008) p40 ve p75 proteinleri epitel hücreler arası bağlantıları koruyor
Hücre içi molekül (protein) etkileşimleri 15
Hücre içi protein etkileşimleri Bakteri proteinleri insan hücrelerinin içine girebiliyor Sinyal iletimi sırasındaki protein etkileşimlerini bozarak hücrenin tepkisini değiştirebiliyorlar 16
İnsan benzeri bakteriyal proteinler Patojenler insan protein etkileşim bölgelerine sahip proteinler üretebiliyor. Bu sayede olması gereken protein etkileşimlerini engelleyerek bağışıklık sistemi tepkisini azaltabiliyor/ durdurabiliyorlar Probiyotiklerin de benzer proteinlere sahip olduğu düşünülüyor 17
Probiyotikler ve Sinyal iletimi Etken probiyotik proteinler? proinflamatuvar (bağışıklık sistemi uyarılıyor) anti-inflamatuvar ( bağışıklık sistemi baskılanıyor) anti-apoptatik (hücre ölümünü engelleme) Thomas, C. M., & Versalovic, J. (2010). Gut Microbes, 1(3), 148 63 18
Omik yaklaşımlar Bakteri genom veritabanları Genomdan protein tahmini: DNAprotein Protein amino asit dizisi Probiyotik-konak ilişkisinin fonksiyonel karakterizasyonu 19 Johnson, B. R., & Klaenhammer, T. R. (2014) Antonie van Leeuwenhoek, 106(1), 141 56
İnsan benzeri bakteriyal proteinler Amino asit dizilerinde protein etkileşim bölgelerinin aranması 20
İnsan benzeri bakteriyal proteinler Proteini kodlayan DNA bölgesinin klonlanması Rekombinant protein üretimi ve saflaştırma Test tüpünde insan-probiyotik protein etkileşimleri Hücre kültüründe etkileri 21
Probiyotik etki gösteren moleküller Molekül Mikroorganizma Hücre dışı ve gizlenmis proteinler Bilimsel Kanıt Gözlenen Etki p40 ve p75 L. Rhamnosus rhamnosus GG In vitro and Hücre ölümünü önleme Epitel hücre kararlılığını L. casei BL23 in vivo sağlama Lactocepin L. casei In vivo SlpA L. acidophilus L. Acidophilus NCFM NCFM In vitro Flagellin E. coli Nissle 1917 In vitro Fimbriae STp, D1 proteininden Bifidobacterium sp. sp. In vitro ve in vivo L. plantarum In vitro Bağırsak iltihabına karşı koruma Hücreye tutunma Antimikrobiyal peptit salgısının artması Kolonizasyon faktörleri ve sitokin üretimi Dendiritik hücre (bağışıklık sistemi hücresi) düzenlemesi Çeşitli mikroorganizmalar probiyotik etkiye yol açan moleküller üretebilmekte ve bu farklı moleküller de hücrede değişik etkilere sebep olabilmektedir. Ruiz, L., et al., (2014). FEMS Microbiology Letters, 359(1), 1 11.
Sonuç İnsan hücreleri ile iletişim kuran probiyotik proteinlerin belirlenmesi, probiyotiklerin sağlık üzerindeki etkilerini detaylı olarak anlamamızı sağlayacak ve bu proteinlerin hedefe yönelik kullanımının önünü açacaktır.
KAYNAKLAR Bäuerl, C., Pérez-Martínez, G., Yan, F., Polk, D. B., & Monedero, V. (2010). Functional analysis of the p40 and p75 proteins from Lactobacillus casei BL23. Journal of Molecular Microbiology and Biotechnology, 19(4), 231 41. Bermudez-Brito, M., et al., 2012 Probiotic mechanisms of action. Annals of Nutrition & Metabolism, 61(2), 160 74. Bron, P. a, van Baarlen, P., & Kleerebezem, M. (2012). Emerging molecular insights into the interaction between probiotics and the host intestinal mucosa. Nature Reviews. Microbiology, 10(1), 66 78. Johnson, B. R., & Klaenhammer, T. R. (2014). Impact of genomics on the field of probiotic research: historical perspectives to modern paradigms. Antonie van Leeuwenhoek, 106(1), 141 56. Lebeer, S., Vanderleyden, J., & De Keersmaecker, S. C. J. (2010). Host interactions of probiotic bacterial surface molecules: comparison with commensals and pathogens. Nature Reviews. Microbiology, 8(3), 171 84. Ruiz, L., Hevia, A., Bernardo, D., Margolles, A., & Sánchez, B. (2014). Extracellular molecular effectors mediating probiotic attributes. FEMS Microbiology Letters, 359(1), 1 11. Seth, A., Yan, F., Polk, D. B., & Rao, R. K. (2008). Probiotics ameliorate the hydrogen peroxide-induced epithelial barrier disruption by a PKC- and MAP kinase-dependent mechanism. American Journal of Physiology. Gastrointestinal and Liver Physiology, 294(4), G1060-9. Thomas, C. M., & Versalovic, J. (2010). Probiotics-host communication: Modulation of signaling pathways in the intestine. Gut Microbes, 1(3), 148 63. van Baarlen, P., Wells, J. M., & Kleerebezem, M. (2013). Regulation of intestinal homeostasis and immunity with probiotic lactobacilli. Trends Immunol, 34(5), 208 215. 24
TEŞEKKÜRLER Dicle Akpınar (Yüksek lisans) Ecem GÜN, Ayşegül ALTINAY, Fırat Deniz BOZDAĞ (Bitirme Tezi) Johnson, B. R., & Klaenhammer, T. R. (2014). Antonie van Leeuwenhoek, 106(1), 141 56. 25