Молчащие флагеллины
В 1926 г. в журнале Journal of Pathology and Bacteriology были опубликованы иммунологические заметки малоизвестного исследователя дифтерии А.Т. Гленни.
В таблице XLIII этой публикации он сообщил о заметном влиянии алюминиевокислого калия на иммунный ответ морской свинки на дифтерийный токсин. У животных, которым вводили токсин в присутствии алюминия, антигенный ответ был гораздо более выраженным по сравнению с теми, кто подвергался воздействию только токсина. Другие "адъюванты", состоящие из термически убитых бактериальных экстрактов, оказывали аналогичное иммуногенное действие.
Позже этот феномен был назван выдающимся иммунологом Чарльзом Джейнвеем "маленьким секретом иммунологов". То, на чем остановился Гленни и на чем заострил внимание Джейнвей, - это критическая роль врожденной иммунной системы в формировании адаптивных иммунных реакций. Чтобы понять, как развиваются эти реакции, необходимо более глубокое знание того, как регулируется сигнализация врожденного иммунитета, что мы и изучали в контексте микробиома.
В настоящее время общепризнано, что сильные адаптивные реакции требуют активации врожденного иммунитета и что многие адъюванты являются лигандами для рецепторов врожденного иммунитета. Последние часто называют рецепторами распознавания образов, поскольку они эволюционировали для связывания высококонсервативных молекулярных паттернов, экспрессируемых патогенами. Но вот еще один маленький секрет: эти молекулы также продуцируются триллионами микробов, колонизирующих кишечник человека, подавляющее большинство из которых непатогенны и даже полезны для здоровья хозяина. Как же рецепторы врожденного иммунитета избегают реакции на эти лиганды?
В нашей лаборатории основное внимание уделялось Toll-подобному рецептору 5 (TLR5) и его лиганду - флагеллину, поскольку их взаимодействие является примером этой головоломки. TLR5 экспрессируется эпителиальными и иммунными клетками, а патогенные и непатогенные бактерии вырабатывают белки флагеллины для построения нитей, обеспечивающих подвижность. Когда эти нити разрушаются, TLR5 связывает флагеллин и инициирует провоспалительный ответ. Хотя взаимодействие TLR5 с FliC (белком флагеллина, кодируемым геном fliC сальмонеллы) хорошо изучено, относительно мало известно о том, как рецептор реагирует на флагеллины непатогенных микроорганизмов, или "комменсалов". Мы проанализировали метапротеом и метатранскриптомы кишечника человека без известных заболеваний с целью выявления соответствующих флагеллинов, производимых комменсалами.
На уровне белков и транскриптов мы обнаружили, что флагеллины в кишечнике человека вырабатываются почти исключительно представителями семейства Lachnospiraceae. Эта таксономическая группа широко распространена в микробиомах человека по всему миру и играет важную роль в поддержании здоровья хозяина. Нас интересовало, вызывают ли их флагеллины врожденные иммунные реакции, аналогичные тем, которые вызывает FliC.
Чтобы ответить на этот вопрос, мы охарактеризовали взаимодействие между TLR5 и 40 флагеллинами, производимыми комменсалами, которые в изобилии присутствуют в метагеномах кишечника человека. Мы разработали анализ связывания TLR5 с флагеллинами для определения степени распознавания и измерили уровень сигнала ядерного фактора κB (NF-κB) в репортерных клетках для оценки активности TLR5. Распознавание коррелирует с активацией для большинства кандидатов. Однако для ∼25% распознавание рецептора не связано с активацией - флагеллины связывают рецептор, но не вызывают провоспалительного ответа.
Мы назвали такой ответ "молчаливым распознаванием" TLR5 и изучили, как эти "молчаливые флагеллины" воспринимаются врожденным иммунитетом, но игнорируются им. Молчащий флагеллин RhFlaB, продуцируемый обычным обитателем кишечника Roseburia hominis, показал самое сильное связывание с TLR5 в нашем анализе, и мы использовали его для дальнейшего изучения того, как взаимодействие TLR5 и молчащего флагеллина отличается от взаимодействия TLR5-FliC.
Большинство молчащих флагеллинов практически идентичны FliC в областях, которые характеризуются как критические для активации TLR5. Но когда мы произвели мутацию первичного сайта взаимодействия во флагеллине, то увидели разные эффекты на связывание с TLR5: мутант RhFlaB полностью утратил связывание, тогда как мутант FliC не показал никаких изменений по сравнению с диким типом. Устойчивость мутанта FliC в связывании TLR5 указывает на наличие в FliC вторичного аллостерического сайта связывания, отсутствующего в RhFlaB. Мы определили его местоположение и изучили его влияние, пересадив в молчащие флагеллины. Как и ожидалось, сайт аллостерического связывания восстановил способность мутанта RhFlaB связывать TLR5. И что неожиданно, он на порядки улучшил способность RhFlaB дикого типа активировать TLR5.
Каким образом этот сайт связывания оказывает столь значительное влияние на TLR5-сигнализацию? В поисках ответа мы обратились к механизму, лежащему в основе активации TLR5. Считается, что флагеллин индуцирует димеризацию рецептора, поскольку в активном состоянии TLR5 представляет собой гомодимер. Поэтому мы исследовали, способствует ли этому процессу аллостерический сайт связывания. Эта работа принесла неожиданные плоды: хотя мы не обнаружили FliC-индуцированной димеризации, мы обнаружили, что значительная часть TLR5 на поверхности клетки существует в виде димера в отсутствие флагеллина. Аллостерический сайт FliC опосредует связывание с этими готовыми димерами. Молчащие флагеллины, следовательно, не могут связывать димерный TLR5, если они не снабжены аллостерическим сайтом из FliC. Таким образом, уклонение от димеров TLR5 позволяет молчащим флагеллинам избежать активации этого рецептора.
Обнаружение нами молчащих флагеллинов иллюстрирует один из способов, с помощью которого рецепторы врожденного иммунитета переносят лиганды комменсалов. Чтобы осмыслить полученные результаты, мы изучили распространенность молчащих флагеллинов в кишечнике человека. Для расширения списка молчащих флагеллинов мы проанализировали дополнительные флагеллины из почти сотни видов комменсальных бактерий, а затем измерили их количество в более чем 1700 метагеномах кишечника людей со всего мира. Проведенный анализ показал, что молчащие флагеллины распространены повсеместно. Однако их уровень значительно ниже в популяциях из промышленно развитых регионов. Факторы, вызывающие эту потерю, неясны, как и последствия для здоровья человека.
Все более очевидным становится тот факт, что флагеллины Lachnospiraceae могут становиться мишенями антигенных реакций, которые в избытке проявляются при заболеваниях, включая воспалительные заболевания кишечника (ВЗК) (8, 9). Антитела, повышающиеся при ВЗК, направлены на флагеллины, которые сильно стимулируют TLR5, а также на молчащие флагеллины. Однако роль TLR5 в этом процессе изучена недостаточно хорошо. Примечательно, что распространенность ВЗК значительно выше в промышленно развитых странах и коррелирует с уменьшением количества молчащих флагеллинов в этих популяциях.
Со времени высказываний Джейнвея в 1989 году было сделано много открытий о том, как врожденный иммунитет усиливает адаптивные реакции. Хотя адъюванты вакцин уже давно показали, как можно использовать эту взаимосвязь в интересах здоровья населения, антигенные реакции на комменсальную микробиоту свидетельствуют о том, что она может быть и пагубной. Наша дальнейшая работа по изучению взаимодействия между рецепторами врожденного иммунитета и микробиомом с использованием методов вычислительной и молекулярной биологии имеет решающее значение для понимания того, как развиваются эти дезадаптивные реакции, и для смягчения их последствий.
Автор: Sara Clasen, Отдел изучения микробиома, Институт биологии Макса Планка, Тюбинген, Германия.
