Желудочно-кишечный тракт (ЖКТ) млекопитающих населен большим количеством микроорганизмов, в основном бактерий, относящихся к сотням различных видов.
У людей и мышей большинство видов бактерий в микробиоте ЖКТ принадлежат к двум основным филам: Firmicutes и Bacteroidetes. Микробиота ЖКТ выполняет многочисленные полезные функции для хозяина, связанные с производством питательных веществ, липидным и углеводным гомеостазом, синтезом гормонов и нейротрансмиттеров, а также модуляцией иммунной системы и др. Несмотря на эти важные функции, специфический состав микробиоты ЖКТ сильно варьирует у здоровых людей, что указывает на определенную функциональную избыточность различных бактерий ЖКТ. Однако существенные изменения состава микробиоты ЖКТ могут привести к различным заболеваниям, включая метаболические и иммунные нарушения.
Учитывая высокую плотность микробной колонизации, ЖКТ является важным местом взаимодействия иммунной системы хозяина и микроорганизмов. Бактерии ЖКТ обитают в основном в полости кишечника, или просвете, и имеют лишь ограниченный контакт с окружающим слизистым эпителием, от которого они отделены слизью. Эпителий слизистой оболочки ЖКТ и лежащий под ним слой рыхлой соединительной ткани, lamina propria, содержат сложную и специализированную иммунную систему слизистой оболочки. Эта система включает индуктивные участки, где антигены, отобранные с поверхности слизистой, стимулируют наивные Т- и В-клетки, а также эффекторные участки, где различные эффекторные клетки выполняют свои функции, такие как выработка и секреция антител. Индуктивные участки включают, главным образом, ассоциированную с кишечником лимфоидную ткань и брыжеечные лимфатические узлы, дренирующие слизистую оболочку, которые содержат агрегаты лимфоцитов, известные как лимфоидные фолликулы; в ассоциированной с кишечником лимфоидной ткани лимфоидные фолликулы агломерируются в Пейеровых бляшках тонкой кишки или встречаются изолированно, причем плотность изолированных фолликулов увеличивается дистальнее. Эффекторные участки включают эпителий слизистой оболочки и lamina propia.
Во взаимодействии между микроорганизмами и иммунной системой хозяина и, следовательно, в формировании микробиоты ЖКТ участвуют как врожденные, так и адаптивные реакции. Врожденная иммунная система является первым барьером против всех экзогенных молекул, попадающих в организм, но ее ответ малоспецифичен. В отличие от нее, адаптивная иммунная система распознает антигены через специфические поверхностные рецепторы, экспрессируемые на Т- и В-клетках.
Клетки врожденной иммунной системы распознают микроорганизмы или продукты их метаболизма и вызывают ряд ответных реакций. Эпителиальные клетки кишечника также кодируют различные рецепторы для лигандов микробного происхождения. Задействование рецепторов в клетках врожденного иммунитета и эпителиальных клетках приводит к выработке цитокинов, которые влияют на дифференцировку наивных Т-клеток адаптивной иммунной системы. Эти клетки могут дифференцироваться в регуляторные клетки (Tregs) или в хелперные клетки, включая Th1, Th2 и Th17. Tregs обладают множеством противовоспалительных функций и могут снижать активацию и развитие различных типов Th, которые, в свою очередь, играют различные специфические роли в формировании иммунного ответа. Поэтому аберрантная микробная колонизация ЖКТ может привести к дисбалансу между различными типами Т-клеток, а последующая иммунная дисрегуляция может вызвать различные патологические исходы, от атопии до аутоиммунных заболеваний.
Среди прочего, активированные Th-клетки побуждают B-клетки вырабатывать антитела, также называемые иммуноглобулинами (Igs). Наибольшее количество антител вырабатывается и секретируется на слизистых оболочках желудочно-кишечного, мочеполового и дыхательного трактов, тогда как системные антитела в крови обнаруживаются в меньших концентрациях. Важно отметить, что кишечник содержит самые большие популяции плазматических клеток (ПК), активированных В-клеток, которые вырабатывают антитела, а вырабатываемые ими антитела транспортируются в просвет кишечника.
Иммуноглобулины A (IgA), IgM и IgG - это антитела, присутствующие в кишечнике и способные связывать различные бактерии. IgG охватывает меньшую часть микробиоты кишечника. Было показано, что IgG не вырабатывается постоянно в кишечнике, поскольку он в основном активируется антигенами, присутствующими в патогенах, таких как Haemophilus, которые могут пересекать кишечный барьер. С другой стороны, IgA и IgM охватывают аналогичных членов микробиоты, присутствующих в просвете кишечника. Однако IgM содержится в концентрации почти в 100 раз меньшей, чем IgA (Haneberg and Aarskog, 1975; Janzon et al., 2019). На сегодняшний день лишь несколько исследований посвящены роли антител IgG и IgM в симбиозе хозяин-микробиота. По этим причинам мы сосредоточимся здесь на разнообразных взаимодействиях между IgA и микробиотой кишечника и оценим их потенциальный вклад в формирование симбиотической среды в кишечнике.
Микробиота ЖКТ представляет собой очень сложную совокупность, и различные ее члены могут вызывать IgA-ответы разного типа и интенсивности. Ранние исследования показали, что колонизация аксеничных мышей специфическими штаммами из микробиоты обычных мышей приводит к различным реакциям. Штаммы, принадлежащие к грамположительным родам Lactobacillus, Streptococcus, Eubacterium, Actinobacillus, Micrococcus, Corynebacterium и Clostridium, вызывали слабый IgA-ответ, тогда как грамотрицательные Bacteroides и Escherichia вызывали сильный IgA-ответ, независимо от того, были ли они живыми или мертвыми.
Совсем недавно Yang et al. (2020) моноколонизировали безмикробных мышей доминирующими бактериями основных филогенетических групп кишечника человека, т.е. Firmicutes, Bacteroidetes, Actinobacteria и Proteobacteria. Bacteroides ovatus был основным индуктором выработки IgA в толстой кишке посредством Т-клеточно-зависимого пути активации В-клеток. Такие бактерии, как Clostridium bolteae, Collinsella aerofaciens, Ruminococcus gnavus и E. coli вызывали слабую выработку IgA. Они также наблюдали, что термически убитый B. ovatus вызывал слабый IgA-ответ у мышей, предварительно колонизированных E. coli, в то время как жизнеспособный B. ovatus вызывал более сильный ответ, что противоречит более ранним исследованиям. Кроме того, как упоминалось выше, Mu et al. (2021) показали, что IgA индуцируются у новорожденных мышей Lactobacillus reuteri, присутствующим в грудном молоке матери.
Многочисленные другие исследования изучали мишени секреторных IgA (SIgA) путем сортировки клеток бактерий, покрытых SIgA, в фекалиях с последующим секвенированием ампликонов гена 16S рибосомальной РНК (рРНК) (IgA-Seq). Эти исследования показали, что SIgA связывает весьма разнообразную фракцию микробиоты ЖКТ человека, включая членов основных составляющих ее фил, хотя определенные бактериальные таксоны оказываются обогащенными во фракции, покрытой SIgA. В исследованиях не наблюдалось общей закономернгости в отношении того, какие именно бактерии были обогащены, однако обогащение некоторых таксонов, например, принадлежащих к распространенному семейству Firmicutes Lachnospiraceae, обычно обнаруживалось (Sterlin et al., 2020). Отсутствие согласованности может быть связано с различиями в протоколах IgA-Seq, применяемых в разных лабораториях, и индексах, используемых для анализа полученных данных.
В одной из последних работ был предложен эталонный протокол IgA-Seq и новые подходы к определению вероятности связывания IgA с различными таксонами, что, вероятно, облегчит сравнение результатов между лабораториями (Jackson et al., 2021). Важно отметить, что мыши, колонизированные кишечными бактериями, покрытыми SIgA, показали повышенную восприимчивость к колиту (Palm et al., 2014) и усиленную диетозависимую энтеропатию (Kau et al., 2015) по сравнению с животными, колонизированными бактериями без покрытия. Эти наблюдения показывают, что SIgA-покрытие связано с различными функциональными свойствами бактерий кишечника. Также было показано, что различия в связывании SIgA-микробиоты зависят от локализации в кишечнике: SIgA-связанные бактерии чаще встречаются в тонкой кишке (40%-80%) по сравнению с толстой (10%-30%), а также в слизи по сравнению с просветом кишечника (Palm et al., 2014; Bunker et al., 2015; Kau et al., 2015; Fadlallah et al., 2018).
Кроме того, эксперименты, в которых члены микробиоты подвергались воздействию различных типов IgA, выделенных из ЖКТ взрослых людей, показали, что некоторые виды не связывались ни одним из антител, тогда как другие были мишенью для одного или нескольких (Kabbert et al., 2020). Специфические антигены, связываемые SIgA в многообразии бактерий ЖКТ, и лежащие в основе механизмы распознавания и связывания бактерий до сих пор плохо изучены. Известно, что SIgA связывается с некоторыми важными поверхностными антигенами бактерий ЖКТ, включая гликаны, такие как О-антигены, полисахаридные капсулы и тейхоевые кислоты. Однако в настоящее время нет данных о том, с какой аффинностью кишечный SIgA связывает эти молекулы in vivo.
Недавно Rollenske et al. (2021) составили карту совокупности SIgA, вырабатываемых у мышей в ответ на колонизацию одним штаммом Escherichia coli. Они выявили IgA, направленные на различные бактериальные антигены, включая липополисахариды клеточной стенки, фимбрии I типа и белки внешней мембраны. Некоторые из этих IgA были полиреактивными, в то время как большинство из них были антиген-специфичными. Экспрессия различных IgA in vivo часто приводила к снижению экспрессии распознаваемого антигена, а также к повышению или понижению регуляции целого ряда других генов. В зависимости от антигена-мишени и влияния на транскрипцию генов, различные IgA оказывали различные эффекты на функции и метаболизм штамма E. coli, связанные с поглощением источников углерода, восприимчивостью к бактериофагам или целостностью мембраны. Более того, IgA, нацеленные на один и тот же антиген, могут оказывать различное воздействие в зависимости от специфичности их эпитопа. Однако снижение подвижности бактерий было результатом, общим для всех IgA, способных покрывать поверхность бактерий.
Различные направления исследований, рассмотренные в данном обзоре, ясно показывают, что роль SIgA в ЖКТ выходит за рамки борьбы с патогенами и включает в себя сложную сеть взаимодействий с микробиотой. Будущие исследования должны прояснить, как различные типы антител SIgA по-разному взаимодействуют с конкретными членами микробиоты, и как это разнообразие взаимодействий приводит к гомеостазу экосистемы ЖКТ.
Некоторые аспекты функционирования SIgA, выявленные на сегодняшний день, особенно интригуют. Среди них - потенциальное существование внутренних процессов, которые отбирают определенные подгруппы наивных B-клеток в Пейеровых бляшках, как предполагают результаты на беспородных мышах, полученные Bunker et al. (2017), Chen et al. (2020) и Nowosad et al. (2020). Интересной возможностью является предложенный Bunker et al. (2017) эндогенный механизм, приводящий к отбору низкоаффинных IgA, которые перекрестно реагируют с частью микробиоты ЖКТ, обогащенной потенциальными оппортунистическими патогенами. Очевидно, что, как обсуждалось выше, такая способность была бы особенно выгодна у маленьких детей, чьи Т-клеточно-зависимые ответы еще не созрели. Таким образом, естественный отбор мог привести к появлению врожденного механизма, который позволяет систематически отбирать ранние IgA, нацеленные на общие консервативные внеклеточные элементы, присутствующие среди членов микробиоты с высоким воспалительным и инвазивным потенциалом. В ближайшие годы будет крайне важно провести экспериментальную работу, чтобы определить степень действия этого механизма у человека на разных этапах жизни, а также основу для такого врожденного отбора IgA.
Кроме того, важно продолжить изучение того, как SIgA могут способствовать сохранению и/или росту полезных симбионтов ЖКТ. Имеющиеся в настоящее время данные свидетельствуют о том, что N-гликаны и неканоническое связывание являются важными игроками в этом отношении, но дальнейшая работа должна прояснить задействованные механизмы и их значение in vivo. В частности, важно понять, в какой степени бактериальные биопленки присутствуют на слизистой оболочке ЖКТ и играют ли молекулы SIgA роль в содействии их формированию.
