Intestinal microbiota of indigenous peoples of the North: a systematic review

Full Text

Обоснование

Связь между состоянием кишечной микробиоты, условиями окружающей среды и здоровьем человека в последние годы активно изучается благодаря развитию современных методов секвенирования 16S рРНК бактерий. Исследования показали, что наибольшее влияние на разнообразие и состав бактерий кишечника оказывают особенности питания, условия проживания и этнос [1–4]. Основой таких взаимосвязей служат метаболические пути, формируемые сложным функциональным взаимодействием микробного сообщества, регуляторными системами организма хозяина и окружающей среды.

Основными субстратами метаболизма микроорганизмов толстого кишечника являются устойчивые и плохо усвоенные тонким кишечником сложные полисахариды и белки. В результате анаэробной ферментации простых углеводов, образующихся при гидролизе различных полисахаридов, производятся короткоцепочечные жирные кислоты (КЦЖК), такие как ацетат, пропионат и бутират, первый из которых является наиболее массовым продуктом кишечной микробиоты. КЦЖК играют важную роль в поддержании барьерной функции кишечника и используются в качестве источника энергии [5]. Наиболее изучен положительный эффект бутирата, обладающего противовоспалительными, антиоксидантными и противоопухолевыми свойствами. Ацетат менее изучен, но известно, что он используется как метаболит для других тканей организма и положительно влияет на защитные функции кишечника [6]. Кишечной микробиотой могут вырабатываться и вредные продукты, например, при анаэробной ферментации белков из аминокислот могут образовываться фенол, сероводород, изомасляная и изовалерьяновая кислоты. Из метаболитов ферментации жирных кислот с разветвленной цепью также вырабатываются вещества, способные негативно влиять на здоровье хозяина и вызывать язвы, колиты, рак [7].

В эпоху, когда во всём мире наблюдаются процессы глобализации, большой интерес вызывает исследование микробиоты популяций, сохраняющих традиционное питание и образ жизни [8]. Например, исследования населения Буркина-Фасо, Танзании, Мексики и Венесуэлы показали более разнообразную микробиоту по сравнению с индустриальными западными популяциями [9–12]. В условиях холодного климата у коренных народов Севера сложился полярный (северный) тип метаболизма, основанный на преобладании в пище белков и липидов, направленный на обеспечение повышенных энергетических потребностей и термогенеза [13, 14]. Несмотря на глобальные изменения, традиционное питание и образ жизни всё ещё занимают существенную нишу в жизни северных народов и, несомненно, микробиота, формируемая в таких условиях, имеет особенности, отличающие её от микробиоты других популяций и оказывающие влияние на состояние здоровья.

Цель исследования. На основе обзора литературных данных оценить факторы и принципы формирования микробиоты в экстремальных климатических условиях и её возможную роль в формировании здоровья у коренных народов Севера.

МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ

Проведён систематический обзор литературы по ScR-методологии (scoping review) на основе рекомендаций PRISMA [15]. Поиск источников проводили по ключевым словам в базах данных eLibrary, Pubmed, Google Scholar. Ключевыми словами для источников на русском языке являлись «микробиота» и «Север»; на английском языке для базы Pubmed «gut microbiome», «Arctic» OR «gut microbiome», «inuit», для Google Scholar — на русском языке «микробиота кишечника», «Север», на английском языке «gut microbiome», «16S rRNA», «indigenous people», «Arctic». Авторы независимо друг от друга изучали заголовки и аннотации публикаций на соответствие критериям включения, возникшие разногласия решали путём переговоров. Также проведён ручной поиск дополнительных источников по теме в списках литературы найденных статей.

Критерии включения источников в систематический обзор следующие: 1) язык: русский, английский; 2) исследуемая популяция: коренные жители Севера и Арктики (инуты, якуты, другие народы, относящиеся к коренным народам Севера); 3) возраст исследуемых старше 18 лет; 4) оригинальные исследования микробиоты кишечника; 5) метод исследования: секвенирование 16S рРНК бактерий. Критерии исключения: исследования кишечного микробиома животных, детей, обзорные статьи. Последний поиск осуществлялся 22 апреля 2024 г.

При первичном отборе с использованием вышеописанных поисковых запросов было получено 13 публикаций из базы данных eLibrary, 29 публикаций — из базы PubMed с применением фильтра Humans, 1170 результатов при запросе на русском языке и 14 700 результатов при запросе на английском языке — из базы данных Google Scholar. После анализа заголовков и аннотаций были исключены повторяющиеся публикации и публикации, несоответствующие критериям включения. После фильтрации осталось 5 источников. Этапы процесса отбора статей представлены на рис. 1.

 

Рис. 1. Блок-схема процесса отбора статей.

 

Таксономия микроорганизмов в статье приведена в соответствии с последней версией таксономической базы данных Национального центра биотехнологической информации NCBI (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/Taxonomy/Browser/wwwtax.cgi). В скобках указаны ранние версии названий таксонов.

РЕЗУЛЬТАТЫ

В настоящее время исследования микробиоты кишечника коренного населения Севера немногочисленны: опубликованы результаты анализов 16S рРНК канадских инуитов, коренных жителей Аляски и якутов (табл. 1).

 

Таблица 1. Исследования кишечной микробиоты в популяциях коренных жителей Севера

Table 1. Studies of gut microbiota in populations of indigenous peoples of the North

Северная популяция, n Northern population, n	Популяция сравнения, n Comparison population, n	Источник Source
Инуиты Канады | Inuit of Canada, n=19	Европейцы Монреаля | Europeans of Montreal, n=26	[16]
Инуиты Канады | Inuit of Canada, n=15	Европейцы Монреаля | Europeans of Montreal, n=9	[17]
Инуиты Канады | Inuit of Canada, n=275	Непромышленный | Non-industrial, n=73 Индустриальный | Industrial, n=104	[18]
Коренные жители Аляски | Alaska natives, n=32	Сельские жители Африки, n=21 Rural people of Africa, n=21	[20]
Якуты, Российская Федерация, n=11 (здоровые) Yakuts, Russian Federation, n=11 (healthy)	Жители Москвы, n=101 Residents of Moscow, n=101	[22]

 

В работе C. Girard и соавт. представлен анализ микробиоты небольшой группы инуитов из арктического региона Канады Нунавут в сравнении с представителями европеоидной расы, проживающими в Монреале в умеренной широте Канады [16]. Инуиты в основном придерживались традиционного питания (употребляли каждый день такие продукты, как арктический голец, мясо северного оленя, морских млекопитающих, сырую дичь), тогда как европейцы из Монреаля придерживались западной диеты. Полученные результаты показали, что по уровню разнообразия и представленности таксонов структура кишечной микробиоты жителей Нунавута и Монреаля была схожа и близка к другим западным популяциям, при этом сильно отличаясь от жителей Буркина-Фасо, Танзании и Венесуэлы, придерживающихся традиционного образа жизни.

Для обнаружения биомаркеров микробиоты инуитов Нунавута авторами использовался линейный дискриминантный анализ, который выделил следующие таксоны: представители типа Bacillota (ранее Firmicutes) — семейство Lachnospiraceae, ферментирующие полисахариды до КЦЖК и род Peptococcus, метаболизирующие пептон и аминокислоты с образованием жирных кислот, синтезирующие сероводород, уксусную, молочную, лимонную, изовалериановую и другие кислоты; представители типа Bacteroidota (ранее Bacteroidetes) — порядок Bacteroidales; малоизученные представители типа Pseudomonadota (ранее Proteobacteria) — класса Betaproteobacteria и рода Bilophila, вырабатывающие сероводород из таурина; типа Cyanobacteriоta. Представители Lachnospiraceae, Betaproteobacteria и Bilophila были также идентифицированы как биомаркеры диеты инуитов. Авторы выявили различия между двумя популяциями на уровне штаммов. Так, представители рода Prevotella (тип Bacteroidota) присутствовали в выборке как Монреаля, так и Нунавута, но с западной диетой были связаны 7 операционных таксономических единиц — operational taxonomic unit (OTU), а с диетой инуитов — только 1. Различия также выявлены среди OTU в пределах рода Akkermansia (тип Verrucomicrobiota, ранее Verrucomicrobia), который представлен в обеих популяциях.

В следующем исследовании была поставлена задача изучить изменения микробиоты кишечника инуитов из этого же региона Канады в течение года [17]. Таксономический состав инуитской микробиоты в данном случае отличался от предыдущих результатов. Тем не менее некоторые таксоны соответствовали ранее выявленным. В качестве маркеров инуитской микробиоты в этом исследовании выделены представители типа Bacillota (ранее Firmicutes): порядка Erysipelotrichales, связанные с липидным обменом; родов Megasphaera — продуценты КЦЖК; Eubacterium, Lactobacillus, Peptococcus с широким спектром метаболических функций; представители типа Bacteroidota (ранее Bacteroidetes): порядка Bacteroidales и рода Prevotella, также продуцирующие КЦЖК; представители типа Actinomycetota (ранее Actinobacteria): семейства Bifidobacteriaceae — продуценты лактата, поддерживающие кишечный барьер, порядка Coriobacteriales, выполняющие в кишечнике функции преобразования жёлчных солей и стероидов, а также активирующие пищевые полифенолы; представители типа Fusobacteriota (ранее Fusobacteria): порядка Fusobacteriales — продуценты масляной кислоты и другие.

Явных изменений со сменой сезонов в микробиомах участников из Нунавута или Монреаля не наблюдалось. Внутрииндивидуальное микробное разнообразие в Нунавуте колебалось сильнее, чем в Монреале, что соответствует более разнообразному и высоко индивидуализированному рациону питания в Нунавуте. При этом показано, что более разнообразные микробиомы имеют тенденцию к стабильному составу в течение времени. В работе выявлено, что традиционные продукты (сырая рыба, сырое мясо дичи и ферментированное мясо) оказывали влияние на состав микробиомного сообщества у инуитов. По результатам двух исследований авторы отмечают, что изменения в сторону западной диеты, наблюдаемые у инуитов, способствуют снижению разнообразия и сглаживанию сезонных изменений микробиома [17].

Кишечная микробиота молодых инуитов Нунавика, другой северной провинции Канады, была исследована в работе J.Y. Abed и соавт. [18]. Участники исследования также употребляли такие традиционные продукты питания, как морские и наземные млекопитающие, рыба, моллюски, дикие птицы и растения. Полученные данные анализировались в сравнении с промышленными и непромышленными группами, отобранными из MetagenomicData R [19]. Было выявлено, что инуиты Нунавика имели однородный микробиом, о чём свидетельствует низкое межиндивидуальное разнообразие, но при этом выявлялся высокий уровень внутрииндивидуального разнообразия.

Показано, что содержание геномного микробиома нунавикских инуитов отличается от других ранее изученных популяций, в том числе инуитов Нунавута. Авторы отмечают, что, несмотря на преобладание в рационе инуитов Нунавика продуктов животного происхождения, в их микробиоме доминировали бактерии, которые обладали сахаролитическими свойствами и производили КЦЖК, в основном бутират. Другими продуктами метаболизма микробиома инуитов являлись ацетат и пропионат. Два вида бактерий Ruminococcus bromii и Bifidobacterium adolescentis использовали крахмал в качестве источника энергии, разлагая его до ацетата и лактата. Также среди основных метаболических путей в метагеномах инуитов представлен биосинтез аминокислот: L-изолейцина из треонина, L-валина, предшественников фенилаланина, триптофана, тирозина и фолатов. Авторы предполагают, что ферментация белка (в диете) также может значительно влиять на структуру сообщества в микробиоме кишечника Нунавика. В целом отмечается, что таксономические и функциональные особенности указывают на способность микробиома кишечника инуитов к адаптации и поддержанию здоровья хозяина. Несмотря на то что определить здоровый или устойчивый микробиом сложно, некоторые характеристики, обнаруженные в микробиоме кишечника Нунавик, такие как высокое внутрииндивидуальное разнообразие, доминирование бактерий-продуцентов КЦЖК (в первую очередь, бутирата), и потенциальная способность микробиоты восстанавливаться после стрессовых факторов окружающей среды (например, антибиотиков) способствуют сохранению гомеостаза организма и улучшению состояния здоровья в условиях Арктики.

В 2020 г. проведено исследование кишечной микробиоты коренных жителей Аляски в сравнении с сельскими жителями Африки в связи с высоким риском у первых колоректального рака [20]. Было показано, что здоровые жители Аляски имеют меньшее внутрииндивидуальное разнообразие (альфа-разноообразие) микробиоты по сравнению с сельскими жителями Южной Африки. На уровне типов отмечалось повышение содержания Actinomycetota (ранее Actinobacteria) и Verrucomicrobiota (ранее Verrucomicrobia). Семейства сахаролитических бактерий Oscillospiraceae (ранее Ruminococcaceae) и Prevotellaceae имели пониженный уровень, а Lachnospiraceae (за счёт родов Blautia и Lachnoclostridium) — повышенный. В кишечнике жителей Аляски также широко представлены роды Escherichia, Shigella и Bifidobacterium. Выявлено, что основными кишечными метаболитами, присутствующими в большем количестве у жителей Аляски, были холин и формиат, в то время как у жителей Африки наблюдалось большее разнообразие сетей метаболических реакций. У жителей Аляски выявлено высокое содержание 7α-дегидроксилирующих бактерий, участвующих в трансформации жёлчных кислот и образовании вторичных жёлчных кислот, что способствует поддержанию здорового состояния кишечника и снижению риска метаболических нарушений [21].

Среди коренных северных народов России исследование микробиоты кишечника проведено в небольшой группе представителей якутского этноса [22]. Якуты проживают на обширной территории северо-востока России в условиях экстремального резко-континентального климата и, в отличие от коренных жителей Северной Америки, являются главным образом скотоводами, разводят крупный рогатый скот и лошадей. Значительную роль в традиционном образе жизни занимают также охота и рыболовство. Основой рациона якутской кухни являются разнообразные молочные продукты, мясо домашних и диких животных, озёрная рыба. В результате пилотного исследования фекалий 11 здоровых представителей якутского населения было показано, что микробиота кишечника якутов отличается от микробиоты жителей Москвы по уровню разнообразия и структуре таксономического состава. Внутрииндивидуальное разнообразие было статистически значимо выше у якутов, чем у жителей мегаполиса. В микробиоте якутов отмечен повышенный уровень 11 родов и сниженный уровень 9 родов микроорганизмов. В якутских образцах доминирующим типом являлся Bacillota (ранее Firmicutes), доля которого составила 79%, а соотношение Bacillota (Firmicutes) и Bacteroidota (Bacteroidetes) составило 9,4 к 1,0. На уровне типов также выявлено значимое повышение доли представителей типа Actinomycetota (ранее Actinobacteria). Среди представителей Bacillota (ранее Firmicutes) выявлено повышение уровня бактерий порядка Erysipelotrichales, семейства Coprobacillaceae (у якутов представлены Catenibacterium), которые связаны с иммуногенностью, однако их роль не ясна. Также выявлены продуценты активных целлюлаз — бактерии семейства Oscillospiraceae (ранее Ruminococcaceae) и деграданты растительного материала — представители семейства Lachnospiraceae (род Blautia), также активно ферментирующие жиры. Оптимальное сочетание этих бактерий способствует регулированию углеводного обмена и снижению риска метаболических нарушений. Анаэробные условия в кишечнике поддерживаются также присутствием доли факультативно аэробных бактерий типа Actinomycetota (ранее Actinobacteria): рода Bifidobacterium и семейства Coriobacteriaceae, поглощающих кислород, поступающий из крови.

Стоит отметить ряд особенностей микробиоты якутов. В частности, выявлен нетипичный представитель семейства Lactobacillaceae с весьма уникальным иммуномодулирующим и пробиотическим свойством — Ligilactobacillus ruminis (ранее Lactobacillus ruminis), полностью отсутствующий у москвичей. L. ruminis подавляет патогенную флору за счёт выработки молочной кислоты и снижения рН среды [23]. Исследования показали, что штаммы L. ruminis способны модулировать иммунный ответ, снижая уровень некоторых провоспалительных цитокинов и повышая уровень IL8 и NF-kB. В экспериментах L. ruminis значительно увеличил разнообразие микробиоты кишечника у мышей [24]. Кроме того, секреция ими фермента лактазы ослабляет лактозную непереносимость, генетически выявляемую у якутов [25].

В микробиоте якутов был обнаружен непатогенный вид Treponema succirifaciens, распространённый в сельско-хозяйственных популяциях с традиционным укладом жизни и, как правило, связанный с переносом от животных [26]. Этот вид бактерий отличается наличием фермента пируват-формиатлиазы, с помощью которого окисляет пируват до ацетил-СоА и формиата. При этом используются взаимоотношения с другими комменсальными видами бактерий, разлагающими растительные волокна. T. succirifaciens очень чувствительны к антибиотикам и потому отсутствуют у городских жителей. Эти особенности свидетельствуют о благотворном влиянии традиционного скотоводческого образа жизни на микробиоту современных коренных жителей Якутии.

Выявленные особенности разнообразия и состава микробиоты коренных народов Севера приведены в табл. 2.

 

Таблица 2. Особенности микробиома коренных народов Севера в сравнении с другими популяциями

Table 2. Features of the microbiome of indigenous peoples of the North in comparison with other populations

Популяция Population	Разнообразие микробиома Microbiome diversity	Особенности Features	Наиболее значимые биомаркеры (топ-5) и их таксономическая принадлежность: домен; тип; класс; порядок; семейство; род The most significant biomarkers (top 5) and their taxonomic affiliation: domain; type; class; order; family; genus	Источник Source
Инуиты Нунавута Канады Inuit Nunavut of Canada	Нет различий с микробиотой европейцев Монреаля There are no differences with the microbiota of Europeans in Montreal	Схожесть структуры микробных сообществ инуитов Нунавута и жителей Монреаля. Выявление некоторых малоизученных таксонов у инуитов. Различия в разнообразии штаммов The similarity of the structure of the microbial communities of the Inuit of Nunavut and the inhabitants of Montreal. Identification of some poorly studied Inuit taxa. Differences in the diversity of strains	– Bacteria; Bacillota; Clostridia; Lachnospirales; Lachnospiraceae; – Bacteria; Bacteroidota; Bacteroidia; Bacteroidales; Muribaculaceae; – Bacteria; Pseudomonadota; Betaproteobacteria; – Bacteria; Pseudomonadota; Betaproteobacteria; Burkholderiales; – Bacteria; Pseudomonadota; Betaproteobacteria; Burkholderiales; Sutterellaceae; Sutterella;	[16]
Инуиты Нунавута Канады Inuit Nunavut of Canada	Нет различий с микробиотой европейцев Монреаля There are no differences with the microbiota of Europeans in Montreal	Традиционные пищевые продукты инуитов влияют на состав микробиома Traditional Inuit foods affect the composition of the microbiome	– Bacteria; Bacteroidota; Bacteroidia; Bacteroidales; Muribaculaceae; – Bacteria; Actinomycetota; Actinomycetes; Bifidobacteriales; Bifidobacteriaceae; – Bacteria; Bacillota; Bacilli; – Bacteria; Bacillota; Negativicutes; Veillonellales; Veillonellaceae; Megasphaera; – Bacteria; Bacteroidota; Bacteroidia; Bacteroidales; Prevotellaceae; Prevotella	[17]
Инуиты Нунавика (Квебек) Канады Inuit of Nunavik (Quebec) Canada	Внутрииндивидуальное разнообразие микробиома кишечника Нунавика значительно выше, чем в непромышленных и промышленных группах сравнения Within the individual diversity of the Nunavik gut microbiome is significantly higher than in non-industrial and industrial comparison groups	Микробиом инуитов отличается от других индустриальных и неиндустриальных популяций. Доминирование в структуре микробиома бактерий, продуцирующих короткоцепочечные жирные кислоты The Inuit microbiome differs from other industrial and non-industrial populations. The dominance of bacteria producing short-chain fatty acids in the structure of the microbiome	– Bacteria; Actinomycetota; Coriobacteriia; Coriobacteriales; Coriobacteriaceae; Enorma; – Bacteria; Bacteroidota; Bacteroidia; Bacteroidales; Prevotellaceae; Prevotella; – Bacteria; Bacillota; Erysipelotrichia; Erysipelotrichales; Erysipelotrichaceae; [Clostridium] innocuum; – Bacteria; Bacillota; Clostridia; Eubacteriales; Oscillospiraceae; Flavonifractor; – Bacteria; Bacillota; Clostridia; Lachnospirales; Lachnospiraceae; Enterocloster	[18]
Коренные жители Аляски Alaska Natives	Более низкое разнообразие у жителей Аляски по сравнению с сельскими жителями Африки Alaska natives have lower diversity compared to rural Africans	Повышенный уровень Actinomycetota (ранее Actinobacteria) и Verrucomicrobiota (ранее Verrucomicrobia). Низкий уровень сахаролитических бактерий и более высокая микробная способность к превращению жёлчных кислот Elevated levels of Actinomycetota (formerly Actinobacteria) and Verrucomicrobiota (formerly Verrucomicrobia). Low levels	– Bacteria; Bacillota; Clostridia; Lachnospirales; Lachnospiraceae; – Bacteria; Bacillota; Clostridia; Lachnospirales; Lachnospiraceae; Blautia; – Bacteria; Bacillota; Clostridia; Lachnospirales; Lachnospiraceae; Lachnoclostridium; – Bacteria; Actinomycetota; Actinomycetes; Bifidobacteriales; Bifidobacteriaceae; Bifidobacterium; – Bacteria; Pseudomonadota;
		of saccharolytic bacteria and a higher microbial ability to convert bile acids	Gammaproteobacteria; Enterobacterales; Enterobacteriaceae; Escherichia-Shigella	[20]
Якуты Российской Федерации Yakuts of the Russian Federation	Внутрииндивидуальное разнообразие микробиома здоровых якутов выше, чем у жителей Москвы The intraindividual diversity of the microbiome of healthy Yakuts is higher than that of residents of Moscow	Микробиота якутов отличается от микробиоты инуитов и жителей центральной России. Высокое соотношение Bacillota (Firmicutes) и Bacteroidota (Bacteroidetes). Повышенный уровень типа Actinomycetota (ранее Actinobacteria) The microbiota of the Yakuts differs from the microbiota of the Inuit and the inhabitants of central Russia. High ratio of Bacillota (Firmicutes) and Bacteroidota (Bacteroidetes). Elevated levels of Actinomycetota type (formerly Actinobacteria)	– Bacteria; Bacillota; Erysipelotrichia; Erysipelotrichales; Coprobacillaceae; Catenibacterium; – Bacteria; Bacillota; Bacilli; Lactobacillales; Lactobacillaceae; Lactobacillus; – Bacteria; Actinomycetota; Coriobacteriia; Coriobacteriales; Coriobacteriaceae; – Bacteria;Bacillota; Clostridia; Eubacteriales; Oscillospiraceae; Ruminococcus; – Bacteria; Bacillota; Clostridia; Lachnospirales; Lachnospiraceae	[22]

 

ОБСУЖДЕНИЕ

Микробиота в условиях холодового стресса

Экологическая ниша проживания и биоценотические связи с окружающей средой, несомненно, оказывают модулирующее действие на базовый состав микробиоты кишечника. В условиях холода происходит перестройка метаболических путей для поддержания термогенеза, в котором микробиота кишечника играет важную роль. Проведённый обзор показал, что микробиота кишечника населения северных территорий недостаточно изучена. Однако в последние годы осуществлены экспериментальные работы на лабораторных животных, позволяющих понять принципы взаимодействия микробиоты с организмом хозяина при холодовом стрессе [27–29]. В работе C. Chevalier и соавт. [27] показано, что холодовая экспозиция мышей для развития толерантности к холоду сопровождается сдвигом таксономического состава микробиоты в сторону обогащения микробами типа Bacillota (ранее Firmicutes) на фоне снижения уровня Bacteroidota (ранее Bacteroidetes) и резкого уменьшения численности рода Akkermansia — представителя типа (тип Verrucomicrobiota, ранее Verrucomicrobia) [27]. Повышение численности типа Bacillota (ранее Firmicutes) за счёт Bacteroidota (ранее Bacteroidetes) при воздействии холода показано и в других работах на грызунах [28, 29]. Участие микробиоты в приспособлении к холоду подтверждается и экспериментами по трансплантации микробиоты адаптированных к холоду мышей (получившее название «холодовая микробиота»), которая способствуют развитию толерантности к холоду контрольных мышей [27, 29].

Холодовая микробиота усиливает продукцию и расход тепловой энергии за счёт нескольких механизмов. Во-первых, в условиях длительной экспозиции на холоде и при пересадке холодовой микробиоты увеличивается абсорбционная поверхность эпителиального слоя тонкого кишечника за счёт физиологического удлинения и утолщения размера кишечника и увеличения длины ворсинок [27, 29]. Увеличение объёма и поверхности поглощающей способности кишечника способствует большему наполнению неусвоенными устойчивыми сложными органическими соединениями, являющимися субстратом для ферментации микробами и продукции метаболитов, необходимых для синтеза энергоносителя (жира). Во-вторых, существует конкуренция за потребление энергетических субстратов между микробами и тканями организма хозяина. При адаптации к холоду удаляются бактерии — активные потребители энергетических ресурсов (в виде КЦЖК, которые могут обеспечить 5–10% потребности человека в энергии) [30]. Примером является удаление микроба g. Akkermansia как активного потребителя энергии, что способствует максимальной мобилизации энергетических ресурсов для обеспечения термогенеза в процессе формирования толерантности к холоду у мышей. В-третьих, сопоставление метагеномных чтений холодовой микробиоты мышей с каталогом генов кишечной микрофлоры показывает, что микробиота помогает своим хозяевам противостоять экстремальным температурам, регулируя путь инсулина хозяина [29]. Кроме того, показано, что при адаптации мышей к холоду микробиота способствует приобретению белой жировой тканью фенотипа бурой жировой ткани с повышенной генерацией тепловой энергии [31–34]. Другим аспектом, регулирующим энергетику хозяина и термогенез во время акклиматизации к холоду, является взаимодействие микробиоты, кишечника и мозга, которое опосредуется через биосинтез нейротрансмиттеров [28]. КЦЖК также могут служить сигнальными молекулами, воздействуя на рецепторы, отвечающие за регуляцию аппетита, терморегуляцию и энергетический гомеостаз [35]. Адаптация человека к воздействию продолжительного холода на Севере, вероятно, также сопровождается биохимическими и физиологическими реакциями, связанными с таксономическими изменениями состава микробиоты. Не исключается, что они определяют специфические черты фенотипа коренного населения Севера.

Влияние на микробиоту рациона питания и образа жизни на Севере

На состав микробиоты кишечника человека, помимо климатических условий, воздействуют такие ключевые факторы, как питание и образ жизни. Это хорошо прослеживается у этносов, проживающих в сравнительно схожих природно-климатических условиях Севера. Таксономическая структура микробиоты толстого кишечника представителя якутского этноса формировалась традиционным укладом жизни животновода, основным источником питания которого являются травоядные животные — крупный рогатый скот (коровы) и лошади. В современном рационе якутов присутствует большое количество простых углеводов. Преобладающий в микробиоме якутов тип Bacillota (ранее Firmicutes) представляет самый широкий спектр микробов, общим свойством которых является клеточная стенка грамположительного типа и способность ферментировать как целлюлозу, так и сложные некрахмалистые полисахариды. Субстратная специфичность и различие продуктов ферментации зависят от рода и вида микроба. Часто встречающиеся в исследованной группе якутов бактерии семейства Ruminococcaceae известны тем, что расщепляют целлюлозу растений и анаэробно ферментируют глюкозу в основном до ацетата, а также пропионата и бутирата. Другое распространённое семейство Lachnospiraceae, в которое входят роды Blautia, Dorea, также метаболизирует глюкозу и другие углеводы, однако не продуцирует бутират. Представитель семейства Coprobacillaceae бактерия Catenibacterium показывает ассоциацию с высоким содержанием кисломолочных продуктов, углеводов и клетчатки у тибетских горцев [36]. Также отмечается, что эта бактерия повышается при ожирении и употреблении животных жиров. Другие исследователи выявили положительную корреляцию Catenibacterium и Ligilactobacillus ruminis (ранее Lactobacillus ruminis) с потреблением омега-6 жирных кислот с пищей [37].

Можно предположить, что традиционный рацион якутов, богатый животными жирами и значительной долей углеводов, балансируется сдвигом микробиоты с сторону повышения содержания Bacillota (ранее Firmicutes), которые способствуют улучшению энергетического баланса в условиях холодного климата и, вероятно, более эффективны в извлечении энергии из пищи, что косвенно подтверждается повышением их уровня при воздействии холода у мышей. Считается, что повышение соотношения Bacillota (Firmicutes) и Bacteroidota (Bacteroidetes) связано с риском ожирения. Эта связь объясняется отсутствием конкуренции за продуцируемые микробиотой источники энергии между типами микробов и хозяином организма [38]. Однако в последнее время ассоциация этого показателя с ожирением считается неубедительной [39]. Предложенные G.D. Wu и соавт. представления об основных энтеротипах, вероятно, также должны быть скорректированы [40].

В отличие от образа жизни якутов, жизнь инуитов связана с морем, а источником питания являются морские плотоядные млекопитающие, способные к длительному пребыванию под водой, питающиеся мелкими морскими животными (рыбами, моллюсками, ракообразными и другими). Метаболическим последствием подводного плавания этих животных является накопление в мышцах большого количества гликогена, используемого для выработки энергии гликолизом при погружении [41]. Питание инуитов, богатое белками и жирами, обусловливает повышение уровня представителей типа Bacteroidota (ранее Bacteroidetes) в кишечнике, что сближает их микробиоту с микробиотой западных популяций. В целом исследователи отмечают, что микробиота кишечника северных популяций становится схожей с составом микробиоты жителей мегаполисов, что связывают с изменением типа питания и появлением в рационе продуктов питания промышленного производства.

Микробиота в условиях тесного контакта с животными

Выявленные особенности микробиома инуитов и якутов могут быть связаны с микробным окружением человека, в частности из-за в тесного контакта с сельскохозяйственными или промысловыми животными.

Так, микробиота инуитов имеет высокое содержание анаэробных микробов типов Bacteroidota (ранее Bacteroidetes) и Pseudomonadota (ранее Proteobacteria). Источником бактерий типа Pseudomonadota (ранее Proteobacteria) является морская вода [42]. Инуиты используют в пищу морских плотоядных животных, способных длительно пребывать под водой, питаясь мелкими морскими животными. Как показали исследования, в большинстве образцов микробиома дистального отдела кишечника многих морских млекопитающих, включая травоядных сирен и плотоядных ластоногих (тюленей, моржей и морских львов), преобладали представители Bacteroidota (ранее Bacteroidetes), способные ферментировать крахмалистые полисахариды и белки [43]. Здесь мы видим сходство по основному составу микробиоты кишечника человека и промыслового животного.

Аналогичное сходство наблюдается в составе микробиоты кишечника якутов и рубца жвачного животного (крупный рогатый скот). Значительную долю микробиоты якутов занимают Bacillota (ранее Firmicutes), в частности микробы семейства Oscillospiraceae (ранее Ruminococcaceae), расщепляющие растительную целлюлозу с помощью гликозил-гидролаз и известные как базовый компонент микробиома рубца жвачных животных [44, 45].

Таким образом, проведённые к настоящему времени исследования показали, что микробиом современных северных популяций различается по уровню разноообразия и таксономическому составу, на который, помимо климатических условий, могут влиять особенности питания и микробное окружение от домашних и диких животных. Дальнейшие исследования микробиома населения Севера с разным образом жизни, рационом питания могут помочь в выявлении механизмов формирования метаболического здоровья в условиях холодного климата.

Заключение

Роль микробиоты кишечника в формировании здоровья и адаптации к холодному климату несомненна. В экспериментах на животных введено понятие «холодовая микробиота», которая отличается высоким содержанием Bacillota (ранее Firmicutes) и способствует эффективному термогенезу за счёт синтеза КЦЖК, снижения уровня потребления бактериями энергетических субстратов и регуляции инсулинового пути хозяина. Изучение природы холодовой микробиоты является перспективным направлением исследований в плане участия микробиоты в поддержании здорового метаболизма организма в условиях Севера.

Обзор проведённых к настоящему времени исследований 16S рРНК кишечной микробиоты северных народов показал, что таксономический состав кишечного микробиома в популяциях Севера отличается как от других групп населения, так и между собой. Эти исследования недостаточны, чтобы сформировать полное представление о северной микробиоте, но позволяют сделать некоторые выводы о её особенностях. Несмотря на имеющееся сходство климатических условий и типа питания, различия в традиционных занятиях, рационе и видах окружающих животных находят отражение в составе микробиоты разных популяций Севера.

Вероятно, формирование наиболее приспособленного микробиома происходит через активацию разных метаболических путей в схожих климатических условиях. При этом микробиом якутов и инуитов обладает высоким уровнем внутрииндивидуального разнообразия, в его составе преобладают бактерии, продуцирующие КЦЖК, имеющие разнообразные метаболические функции и пробиотические свойства, что оказывает благоприятное воздействие на метаболическое здоровье в условиях холодного климата. Разработка мероприятий по сохранению и закреплению этих особенностей микробиома популяций Севера является важной задачей дальнейших исследований в этой области.

Дополнительная информация

Вклад авторов. Т.М. Сивцева — обзор литературы, сбор и анализ литературных источников, написание текста и редактирование статьи; М.А. Степанова — обзор литературы, сбор и анализ литературных источников, подготовка и написание текста статьи; Р.Н. Захарова — обзор литературы, сбор и анализ литературных источников, подготовка и написание текста статьи; С.И. Семёнов — обзор литературы, сбор и анализ литературных источников, подготовка и написание текста статьи; В.Л. Осаковский — обзор литературы, сбор и анализ литературных источников, написание текста и редактирование статьи. Все авторы подтверждают соответствие своего авторства международным критериям ICMJE (все авторы внесли существенный вклад в разработку концепции, проведение исследования и подготовку статьи, прочли и одобрили финальную версию перед публикацией).

Источник финансирования. Исследование проведено в рамках базовой части государственного задания Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (проект FSRG-2023-0003).

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.

Additional information

Authors’ contribution. T.M. Sivtseva — literature review, collection and analysis of literary sources, writing the text and editing the article; M.A. Stepanova — literature review, collection and analysis of literary sources, preparation and writing of the article; R.N. Zakharova — literature review, collection and analysis of literary sources, preparation and writing of the article; S.I. Semenov — literature review, collection and analysis of literary sources, preparation and writing of the article; V.L. Osakovsky — literature review, collection and analysis of literary sources, writing the text and editing the article. All authors confirm that their authorship meets the international ICMJE criteria (all authors have made a significant contribution to the development of the concept, research and preparation of the article, read and approved the final version before publication).

Funding source. This work was supported by the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation (project FSRG-2023-0003).

Competing interests. The authors declare that they have no competing interests.

About the authors

Tatyana M. Sivtseva

North-Eastern Federal University named after M.K. Ammosov

Author for correspondence.
Email: tm.sivtseva@s-vfu.ru
ORCID iD: 0000-0002-1501-7433
SPIN-code: 9571-3044

Cand. Sci. (Biology)

Russian Federation, Yakutsk

Michiye A. Stepanova

North-Eastern Federal University named after M.K. Ammosov

Email: michiyastepanov@gmail.com

Undergraduate Student

Russian Federation, Yakutsk

Raisa N. Zakharova

North-Eastern Federal University named after M.K. Ammosov

Email: prn.inst@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-1395-8256
SPIN-code: 8399-6329

MD, Cand. Sci. (Medicine)

Russian Federation, Yakutsk

Sergey I. Semenov

North-Eastern Federal University named after M.K. Ammosov

Email: insemenov@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0001-8099-2270
SPIN-code: 4442-3374

MD, Dr. Sci. (Medicine)

Russian Federation, Yakutsk

Vladimir L. Osakovsky

North-Eastern Federal University named after M.K. Ammosov

Email: iz_labgene@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-9529-2488
SPIN-code: 2730-0390

Cand. Sci. (Biology)

Russian Federation, Yakutsk

References

Supplementary files