Investigação de genes e proteínas de bactérias da microbiota intestinal relacionados à regulação da pressão arterial em seres humanos

Abstract

A microbiota intestinal é uma das mais relevantes para a saúde humana e desequilíbrios na sua composição estão associados ao desenvolvimento da hipertensão. Essa condição caracteriza-se como uma constante pressão arterial (PA) acima dos níveis normais e consiste na principal razão de óbitos por doenças não contagiosas. A PA está sujeita à regulação pela microbiota, principalmente por meio de ácidos graxos de cadeia curta (AGCCs) e da trimetilamina (TMA). Esses metabólitos são originados por reações metabólicas, que são catalisadas por enzimas, por sua vez codificadas por genes. Há poucos estudos na literatura que comparam as proteínas envolvidas na geração de AGCCs e TMA entre diferentes espécies bacterianas e não foram encontradas informações relacionando genes da microbiota ao controle da PA. Diante disso, o presente estudo teve como objetivo investigar genes de bactérias da microbiota intestinal envolvidos na regulação da PA, focando na exploração das principais enzimas envolvidas na produção de acetato, butirato, propionato e TMA. Para isso, buscou-se as vias metabólicas na literatura e foram coletados dados referentes aos genes e as proteínas em bancos de dados. Em seguida, foram analisadas as similaridades entre genes e proteínas de espécies da microbiota intestinal. Também foram realizadas modelagem de proteínas, predição de resíduos de sítios de ligação e alinhamentos. Por fim, proteínas produtoras de AGCCs e TMA analisadas neste trabalho foram quantificadas por espécie, destacando aquelas com abundância alterada na hipertensão. Em resumo, foram identificados os principais genes codificadores de proteínas relacionados à regulação da PA: ackA (acetato quinase), acs/acsA (acetil-CoA sintetase), grdI (subunidade alpha do componente B do complexo betaína redutase), grdH/grdH_1/grdH_2 (subunidade beta do componente B do complexo betaína redutase), buk/buk1/buk2/bukII/bukA (butirato quinase), but (butiril-CoA:acetato CoA transferase), cntA/yeaW (subunidade oxigenase da carnitina monooxigenase), cntB/yeaX/yeaX_1 (subunidade redutase da carnitina monooxigenase), cutC/cutC_2/cutC_3 (colina trimetilamina-liase), ertA (ergotionase), pct (propionato-CoA transferase), tdcD (propionato quinase), ygfH/scpC (propionil-CoA:succinato CoA transferase), torA (subunidade TorA da N-óxido de trimetilamina redutase) e torZ (subunidade TorZ da N-óxido de trimetilamina redutase). A maioria das sequências aminoacídicas analisadas mostrou-se similar entre a maior parte das espécies comparadas. Além disso, grande parte dos resíduos de sítios de ligação preditos manteve-se conservada entre as diferentes espécies. Em relação aos genes, foi observada certa similaridade entre as espécies, embora menos pronunciada quando comparada à obtida para as proteínas. Por fim, as bactérias Bacteroides thetaiotaomicron, Clostridium butyricum, Coprococcus catus, Coprococcus eutactus e Klebsiella oxytoca foram identificadas como potenciais probióticos para o tratamento da hipertensão, algo que deve agora ser investigado por meio de experimentos in vivo.

Abstract: The gut microbiota is one of the most relevant for human health and imbalances in its composition are associated with the development of hypertension. This condition is characterized by a constant blood pressure (BP) above normal levels and is the main reason for deaths from non-communicable diseases. BP is subject to regulation by the microbiota, mainly through short-chain fatty acids (SCFAs) and trimethylamine (TMA). These metabolites are produced by metabolic reactions that are catalyzed by enzymes, which are encoded by genes. There are few studies in the literature comparing the proteins involved in the generation of SCFAs and TMA among different bacterial species and no information was found relating microbiota genes to the control of BP. In light of this, the present study aimed to investigate bacterial genes from the gut microbiota involved in the regulation of BP, focusing on the exploration of the main enzymes involved in the production of acetate, butyrate, propionate, and TMA. To this end, metabolic pathways were researched in the literature, and data regarding genes and proteins were collected from databases. Subsequently, similarities among genes and proteins of gut microbiota species were analyzed. Protein modeling, prediction of binding site residues and alignments were also performed. At last, SCFA and TMA-producing proteins analyzed in this work were quantified by species, highlighting those with altered abundance in hypertension. In summary, the main protein-coding genes related to BP regulation were identified: ackA (acetate kinase), acs/acsA (acetyl-CoA synthetase), grdI (betaine reductase complex component B alpha subunit), grdH/grdH_1/grdH_2 (betaine reductase complex component B beta subunit), buk/buk1/buk2/bukII/bukA (butyrate kinase), but (butyryl-CoA:acetate CoA transferase), cntA/yeaW (carnitine monooxygenase oxygenase subunit), cntB/yeaX/yeaX_1 (carnitine monooxygenase reductase subunit), cutC/cutC_2/cutC_3 (choline trimethylamine-lyase), ertA (ergothionease), pct (propionate-CoA transferase), tdcD (propionate kinase), ygfH/scpC (propionyl-CoA:succinate CoA transferase), torA (trimethylamine N-oxide reductase subunit TorA) and torZ (trimethylamine N-oxide reductase subunit TorZ). Most of the analyzed amino acid sequences were similar among most of the compared species. Furthermore, a significant portion of the predicted binding site residues remained conserved across the different species. Regarding the genes, some similarity was observed among the species, although less pronounced when compared to that obtained for the proteins. Finally, the bacteria Bacteroides thetaiotaomicron, Clostridium butyricum, Coprococcus catus, Coprococcus eutactus, and Klebsiella oxytoca have been identified as potential probiotics for the treatment of hypertension, something that should be investigated now through in vivo experiments.