Il cervello è un organo metabolicamente costoso, il cui tasso di metabolismo del glucosio per supportare le sue funzioni vitali è più elevato rispetto a quasi tutti gli altri organi del corpo.
Le sfide legate al mantenimento degli elevati costi metabolici del tessuto cerebrale sono particolarmente marcate nei primati, che tendono ad avere cervelli di grandi dimensioni rispetto alle loro dimensioni corporee.
Di recente si è ipotizzato che variazioni nella composizione del microbiota intestinale potrebbero rappresentare un meccanismo attraverso il quale il metabolismo dei primati potrebbe facilitare le diverse esigenze energetiche del cervello. Per comprendere le eventuali associazioni tra microbiota intestinale, dimensioni del cervello e tasso metabolico cerebrale alcuni ricercatori hanno condotto uno studio, i cui risultati sono stati pubblicati sulla rivista Microbial Genomics .
Dimensioni del cervello e tasso metabolico
Il cervello ha un elevato metabolismo del glucosio per supportare funzioni come la segnalazione neuronale, la formazione di sinapsi e l’elaborazione delle informazioni. Di conseguenza, i primati che presentano elevati quozienti di encefalizzazione (EQ) generalmente presentano una glicemia a digiuno più elevata.
Gli esseri umani, che hanno il cervello più grande tra tutti i primati, mostrano un dispendio energetico totale giornaliero più elevato di quanto previsto in base alle dimensioni corporee. La conoscenza dei meccanismi che modellano queste differenze nel metabolismo dei primati e la misura in cui sono collegate alle differenze nell’encefalizzazione sono fondamentali per comprendere lo sviluppo del cervello dei primati e la storia della vita, nonché l’evoluzione dei grandi cervelli.
Microbiota intestinale e tasso metabolico cerebrale
La variazione del microbiota intestinale potrebbe essere un meccanismo attraverso il quale il metabolismo dei primati potrebbe facilitare le diverse esigenze energetiche del cervello.
Gli studi hanno dimostrato forti legami tra specifiche funzioni microbiche e tratti metabolici dell’ospite e in particolare, gli acidi grassi a catena corta (SCFA), acetato, butirrato e propionato, prodotti dal microbiota dalla fermentazione di fibre e aminoacidi, servono come fonti di energia per gli ospiti e influenzano anche i processi metabolici dell’ospite sia direttamente che attraverso segnalazione mediata da SCFA.
Ruolo degli SCFA nella segnalazione metabolica
I processi metabolici dell’ospite influenzati dagli SCFA includono appetito e sazietà, lipogenesi, sintesi di colesterolo e trigliceridi e metabolismo del glucosio-insulina. Le interazioni tra gli SCFA e questi processi metabolici dell’ospite potrebbero anche spostare il metabolismo sistemico verso un aumento della produzione di glucosio per supportare le elevate richieste energetiche di grandi cervelli e/o verso un aumento delle funzioni somatiche come crescita, mantenimento e deposizione di grasso. Gli SCFA, come altri metaboliti microbici, possono anche influenzare la fisiologia del cervello facilitando la comunicazione tra intestino e cervello.
Correlazione tra dimensioni del cervello, microbiota e tasso metabolico
Utilizzando un modello murino per fornire la prima prova che le differenze nella funzione del microbiota tra tre specie di primati sono collegate a differenze nei fenotipi metabolici dell’ospite in modi coerenti con le differenze delle specie nei requisiti energetici del cervello, è stato osservato che i topi con il microbiota proveniente dalle due specie di primati con un EQ relativamente alto avevano un fenotipo metabolico coerente con un maggiore utilizzo e produzione di energia da parte dell’ospite attraverso un aumento del consumo di cibo e della gluconeogenesi nel fegato.
Al contrario, i topi con microbiota provenienti da una specie di primati meno encefalizzati (basso EQ) hanno mostrato un aumento di peso più rapido e una maggiore deposizione di tessuto adiposo, fornendo supporto per un potenziale compromesso tra l’uso di glucosio e la deposizione di tessuto adiposo. Queste differenze erano legate alle differenze nelle concentrazioni dei metaboliti microbici, in particolare degli SCFA, specie di acetato e propionato.
Ruolo del fegato come mediatore tra microbiota e metabolismo
I modelli utilizzati indicano un ruolo importante del fegato nel mediare la relazione tra microbiota intestinale e metabolismo dell’ospite. Si è visto che i topi inoculati con microbiota proveniente primati ad alto e basso EQ mostravano modelli distinti di espressione genica del fegato. Alcuni di questi geni sono stati associati alla gluconeogenesi, alla lipogenesi, alla sintesi del colesterolo e a vari aspetti del metabolismo degli acidi grassi e dello sviluppo degli adipociti.
Tuttavia, il controllo dei processi metabolici epatici non è guidato esclusivamente dalla variazione dell’espressione genica ed è anche strettamente legato ai modelli di energia e al flusso di metaboliti. Si è anche osservato che i topi inoculati con microbiota provenienti da primati con EQ elevato mostravano un arricchimento del metabolismo degli aminoacidi, dei lipidi e degli acidi grassi nel fegato, nonché un metabolismo e un trasporto alterati di biotina, un cofattore chiave in molti di questi percorsi.
Questo modello fornisce ulteriori prove che suggeriscono che il microbiota dei primati con EQ elevato programmano il metabolismo dell’ospite per la produzione di energia attraverso la gluconeogenesi e altri percorsi strettamente legati alla segnalazione dei lipidi.
Conclusioni
I dati suggeriscono che il microbiota intestinale giochi un ruolo causale nella programmazione differenziale del metabolismo delle diverse specie di primati in modi coerenti con i requisiti energetici del cervello adulto.
Nello specifico, vi sono percorsi mediati dai microbi intestinali attraverso i quali il metabolismo dei primati con EQ elevato è sbilanciato verso la produzione di energia e il metabolismo dei primati con EQ basso è sbilanciato verso l’immagazzinamento di energia.
Queste differenze metaboliche dell’ospite sono associate a cambiamenti nell’espressione genica del fegato, che potrebbero indicare un meccanismo attraverso il quale il microbiota intestinale influenza il metabolismo dell’ospite. Tuttavia, è probabile che anche altri meccanismi, come le alterazioni dell’energia e del flusso di metaboliti attraverso le principali vie metaboliche, siano influenti.
