суперорганизмом, человеческий организм – хозяином, а сообщество микробов – микробиомом. Хотя возникает резонный вопрос – кто в доме хозяин…
7.1. Основные положения
Микробиом – это разнообразная экосистема, содержащая бактерии, вирусы, археи и грибы, населяющие все поверхности слизистой оболочки хозяина, которые совместно эволюционировали, чтобы играть роль в регуляции многих физиологических процессов в человеческом организме (Бакхед и др., 2005), включая модуляцию метаболизма и иммунной системы (Кау и др., 2011).
Эволюционно люди и микроорганизмы, а также глисты и другие патогены, долгое время находились в состоянии, напоминающем холодную войну между СССР и США в прошлом веке. Эволюция создала «умную» систему защиты, которая помогала сдерживать агрессивных «микрососедей». Иммунная система человека умеет опознавать «врага» и в случае необходимости его уничтожать. А также есть дружественные и «колеблющиеся» микроорганизмы.
Некогда (во времена охотников-собирателей и ранее) гены, контролирующие воспаление, способствовали защите от чрезмерных «нападок» микроорганизмов на тело человека. Чуть позже, в эру сельскохозяйственной революции (начиная с 12–10 тыс. лет назад), люди начали жить скученно, это приводило к распространению инфекций, эпидемий, которые порой уничтожали большую часть населения поселений, а впоследствии городов.
В нынешние времена человек обзавелся вакцинами и антибиотиками, мощными химическими препаратами и практикует сверхгигиену для того, чтобы еще более эффективно противостоять микроврагам. С завидным постоянством при этом проигрывает битву. Односторонняя гонка вооружений, затеянная человеком против микроорганизмов, привела к тому, что «маленькие» враги научились приспособляться – появляются все более коварные варианты резистентности (устойчивости) у патогенных микроорганизмов к антибиотикам, мутации вирусов идут с большим постоянством, развивается дисбиоз, который приводит к глобальным последствиям для здоровья и психики.
Нынешняя история с коронавирусом, в которой еще будут раскрыты многие аспекты, показывает, что определенное количество людей умерли, потому что антибиотикотерапия оказалась бессильной вследствие резистентности бактерий. Вирусная инфекция привела к бактериальному поражению органов, а бактерии отказались подвергаться действию современных препаратов, так как ранее к ним успешно приспособились. В результате погибли люди…
Дисбаланс микробиома, называемый дисбиозом, связан с риском развития общих заболеваний, включая метаболический синдром (ожирение, сахарный диабет 2-го типа. Ишемическая болезнь сердца, атеросклероз и др.), инфекции, аутоиммунные заболевания и рак. Однако механизмы, раскрывающие влияние микробиома на физиологию хозяина, остаются не вполне ясными. Последние данные свидетельствуют о том, что эпигенетические модификации являются средствами, при помощи которых микробиом может воздействовать на хозяина как в обычных, так и в патологических условиях.
НАУЧНО
7.2. Эпигенетические модификации, влияющие на иммунную регуляцию микробиома
Было показано, что колонизация кишечникамикроорганизмами[41] от младенчества до зрелого возраста имеет решающее значение для нормального развития и функционирования нескольких звеньев иммунной системы (Тайсс и др., 2016). Кишечный микробиом не только регулирует местные кишечные иммунные реакции, но и может оказывать расширенное воздействие на системные иммунные реакции (Зоет и др., 2014).
Последние данные указывают на эпигенетические эффекты, опосредованные микробными компонентами в управлении клетками иммунной системы.
Регуляторные Т-Клетки
Среди иммунных клеток есть регуляторные Т-клетки (Treg)[42], клетки-супрессоры, играющие важную роль в предотвращении аберрантной (патологической) иммунной реакции и связанных с ней аутовоспаления и аутоиммунитета, а также в саморегуляции антипатогенных иммунных реакций. Если этих клеток – Treg – достаточно в организме, то аутоиммунные болезни[43], как правило, себя не проявляют, но, если их не хватает, аутоиммунная агрессия может появляться в виде избыточной реакции иммунной системы на собственные ткани и органы.
Дифференцировка Treg происходит в тимусе и на периферии. В кишечнике Treg необходимы для подавления аберрантной активации CD4+ Т-клеток, нацеленных на комменсальные бактерии[44] (Поури и др., 1993), и их уровень значительно снижается в толстом кишечнике мышей гнотобионтов (со стерильным, не заселенным микроорганизмами кишечнике) (Геукин и др., 2011).
Было описано, что КЦЖК (короткоцепочечные жирные кислоты – бутират, пропионат, ацетат), производимые микроорганизмами, регулируют нормальное количество и функцию Treg в кишечнике и его лимфоидной ткани, тем самым влияя на приобретенные иммунные реакции кишечника (Смит и др., 2013). КЦЖК в кишечнике образуются в процессе ферментации сложных углеводов (в т. ч. клетчатки) комменсальными бактериями, например, такими, как Clostridium. В частности, 17 штаммов клостридий человеческого организма производят КЦЖК или другие метаболиты, которые приводят к увеличению количества Treg в кишечнике (Нарушима и др., 2014).
Бутират – КЦЖК, произведенный комменсальными бактериями человека и мышей, действует как ингибитор гистондезацетилазы (HDAC) (Давье, 2003), который изменяет транскрипционную доступность ДНК, упакованной в нуклеосому, приводя к рекрутированию РНК-полимеразы, тем самым облегчая транскрипцию (Тсе и др., 1998).
У мышей, получавших рацион, обогащенный бутиратом, наблюдалось повышенное количество IL-10[45]-продуцирующих Treg без каких-либо изменений в индукции Т-хелперов[46]– Th1-[47], Th2-[48]и Th17[49]-клеток (Фурусава и др., 2013). Когда CD4+ Т-клетки подвергались воздействию бутирата, промоторы 70 транскрипционных факторов были высоко ацетилированы по сравнению с контрольными образцами, что свидетельствует об изменении эпигенетического ландшафта, индуцированного бутиратом. Среди высокоацетилированных элементов был промотор гена FoxP3.
Рис. 26.Показана связь бактериальных метаболитов, в частности, полисахарида А группы бактерий Bacteroides fragilis, а также КЦЖК – бутирата, пропионата, ацетата с клетками иммунной системы – дендритными, наивными Т-клетками, которые дифференциируются в Т-хелперы – Treg. Наличие достаточного количества наивных Т-клеток необходимо для иммунной системы, чтобы постоянно реагировать на незнакомые патогены.
Было высказано предположение, что индукция Treg имеет важное значение в условиях in vivo, поскольку кормление мышей питанием, обогащенным бутиратом, улучшило их состояние при Т-клеточно-зависимом экспериментальном колите. Кроме того, бутират, доставляемый через клизму или обогащенной крахмалом диетой, индуцировал ЦНС-1-зависимое увеличение Treg в толстом кишечнике мышей, на которых воздействовали антибиотиками, и индуцировал более высокое количество белка Foxр3.
2. Инвариантные натуральные киллеры T (INKT) клеток
INKT – Т-клеточная линия, которая распознает небольшое разнообразие гликолипидных антигенов. После активации клетки iNKT участвуют в регуляции различных иммунных реакций, соединяя врожденный и приобретенный иммунитет (Бреннан и др., 2013). Было показано, что количество iNKT значительно больше в толстом кишечнике стерильных мышей или мышей, получавших антибиотики, чем у контрольных мышей (Олзак и др., 2012). Такое повышение iNTK связано с более высокой восприимчивостью к колиту, также повышенное количество iNKT в легких вызывало более тяжелый аллергический ответ дыхательных путей при астме.
Восстановление числа iNTK может быть достигнуто, если колонизация была в раннем, но не во взрослом возрасте. Эпигенетическое метилирование может участвовать в регулировании iNTK микроорганизмами, однако микробные механизмы и конкретные микроорганизмы, приводящие к этим эффектам, остаются пока неизвестными.
3. Врожденные лимфоидные клетки (ВЛК)
Врожденные лимфоидные клетки (ВЛК) – это группа лимфоцитов, которые вовлечены в быстрое цитокин-зависимое реагирование организма во время воспалительного процесса. ВЛК относятся к лимфоидной линии кроветворной системы, но не экспрессируют Т-клеточный рецептор, вследствие чего им недостает антигенной специфичности. ВЛК, экспрессирующие рецептор интерлейкина-7, участвуют в иммунном ответе, управляют тканевым гомеостазом[50] и воспалением (Уолкер и др., 2013). ВЛК обычно делятся на три группы.
Состав, развитие и функция кишечных ВЛК были связаны с колонизацией кишечника микробиомом, который может регулировать функцию ВЛК прямо или косвенно (Сонненберг и Артис, 2012). В недавней работе (Гури Бенари и др., 2016) одноядерный РНК IL-7Ra-позитивной клеточной популяции из тонкого кишечника мышей идентифицировал 15 кластеров транскрипции ВЛК, отличающихся различными транскрипционными состояниями в трех классических подмножествах ВЛК.
Важно отметить, что микробиом кишечника, по-видимому, участвует в регуляции 7 из 15 вновь выявленных транскрипционных состояний ВЛК. Истощение микробиома антибиотиками широкого спектра действия или его отсутствие у стерильных мышей (гнотобионтов[51]) индуцировало изменения в тысячах областей H3K4me2 в семи подмножествах ВЛК. Колонизация или истощение микробиома индуцирует глобальные эпигенетические профили (Гури Бенари и др., 2016). Механизмы, посредством которых эти микробиом-индуцированные эпигенетические модификации воздействуют на транскрипционный ландшафт ВЛК, до сих пор остаются неизвестными.
4. Натуральные киллеры
Клетки иммунной системы, называемые натуральными киллерами (NK), – это эффекторные лимфоциты, которые контролируют развитие опухоли и микробную инфекцию. Образованные NK-клетки могут стать полностью функциональными с помощью прайминга – процесса, который вызван мононуклеарными фагоцитами, такими как дендритные клетки (DC) (Лукас и др., 2007).
Незрелые NK-клетки у мышей-гнотобионтов увеличивались в количестве, в то время как колонизация симбионтными (полезными) бактериями была необязательна для их развития, дифференцировки и созревания. Однако прайминг NK-клеток у мышей-гнотоионтов или мышей, получавших антибиотики, не выявил эффекторных функций, цитотоксичности и продукции цитокинов (Ганал и др., 2012).
NK-клетки также необходимы для иммунной защиты против вирусных инфекций, таких как цитомегаловирус мыши (MCMV) (Бирон и др., 1999). Мыши-гнотобионты не имели правильной защиты NK против инфекции MCMV, но эта защита появлялась при колонизации бактериями. Во время вирусной инфекции у мышей-гнотобионтов дендитным клеткам (DC) не удалось повысить экспрессию генов IL-15 или IL-15Ra, что свидетельствует о том, что их восходящая стимуляция IFN-I была отменена, тем самым не обеспечивая сигналы праймера для NK-клеток (натуральные киллеры были не активны и не обеспечивали защиту против вируса).
Вызванная вирусом стимуляция дендритных клеток (DC) у колонизированных микробиотой мышей, но не у мышей-гнотобионтов, приводила к быстрому росту воспалительных факторов NF-κB-p65, IRF3 и РНК-полимераза II к промоторным областям генов Ifnb1, Tnf и IL-6. Вероятно, это было связано с дефектом хроматина, препятствующим правильной транскрипционной активации в отсутствие колонизации микробиома.
5. Макрофаги[52]
В некоторых работах описано эпигенетическое действие КЦЖК на макрофаги.
Обработанные липополисахаридами (ЛПС)[53] бактерий макрофаги костного мозга выделяют большое количество провоспалительных цитокинов.
Однако при инкубации с бутиратом уровни NO, IL-6 и IL-12p40 были существенно снижены (Чанг и др., 2014). При пероральном введении мышам, получавшим антибиотики, бутират индуцировал аналогичное снижение транскриптов IL-6, Nos2, IL-12a и IL-12b в макрофагах. Бутират увеличил ацетилирование гистона H3 макрофага. Кроме того, промоторные области Nos2, IL-6 и IL-12b характеризовались повышенным ацетилированием гистона 3 лизина 9 и уменьшали присутствие РНК-полимеразы-II, связанной с репрессией транскрипции генов. Таким образом, бутират-опосредованное ингибирование HDAC может участвовать в регуляции активации макрофагов.
Другим регуляторным механизмом, влияющим на индукцию эпигенетической модификации макрофагов, является сигнализация TLR[54]. В макрофагах TLR вызывает индуцированную активацию гистоновых деацетилаз (HDAC) и гистоновых деметилаз для увеличения положительных меток гистона, приводящих к транскрипции генов, связанных с воспалением, и инициации врожденных иммунных реакций (Бариш и др., 2010).
В совокупности было предложено, что эпигенетический ландшафт, контролирующий воспалительные реакции микрофагов, модулируется либо непосредственно компонентами бактериальной клеточной стенки, такими как ЛПС, либо метаболитами бактерий, такими как КЦЖК.