Как развиваются микробиомы

Кишечник млекопитающих теплый, влажный и невероятно богатый питательными веществами — среда, которая идеально подходит для роста бактерий. Сообщества «хороших бактерий» в кишечнике, обычно называемые микробиомом, являются жизненно важными партнерами для организма, помогая переваривать клетчатку, экстрагировать питательные вещества и предотвращать различные заболевания.

Мы все знакомы с иммунными реакциями и болезнями, которые возникают из-за плохих или патогенных бактерий, попадающих в организм. Таким образом, если иммунная система развивается, чтобы отражать микробы, то как млекопитающие поддерживают гармоничные отношения с полезными бактериями в кишечнике?

Теперь новое исследование показывает, как конкретный вид полезных бактерий использует иммунный ответ организма, чтобы удобно существовать в кишечнике.

Работа выполнена в лаборатории Саркиса Мазманяна, Луиса Б. и Нелли Сукса. Документ, описывающий исследование, был опубликован в журнале Science.

Исследователи решили изучить микроб под названием Bacterioides fragilis. Его особый вид обильно встречается в толстой кишке многих млекопитающих, включая людей, и ранее была показана его роль для защиты мышей от некоторых воспалительных и неврологических расстройств, таких как воспалительное заболевание кишечника и рассеянный склероз. Интересно, что, хотя существует множество штаммов B. fragilis, но здоровые люди образуют долгосрочную моногамную связь только с одним штаммом.

«Исследования, проведенные в других лабораториях, показали, что большинство людей несут такой же штамм B. fragilis на протяжении всей своей жизни», — говорит Дональдсон. «Мы хотели понять на молекулярном уровне, как эти бактерии способны колонизировать кишечник стабильным, долгосрочным образом».

Во-первых, исследователи стремились изучить симбиотические отношения B. fragilis с кишечником, физически глядя на места, где живут бактерии. Используя электронно-микроскопическую визуализацию на образцах кишечника мыши, команда смогла увидеть, что B. fragilis объединяются в агрегаты глубоко внутри толстого слоя слизи, выстилающего кишечник, расположенный вблизи эпителиальных клеток. Ученые предположили, что эта пространственная ниша необходима для того, чтобы один вид обосновался и создал устойчивую опору.

Затем команда попыталась определить, какие механизмы позволяют B. fragilis колонизировать такую ​​нишу внутри кишечника. Они обнаружили, что каждая бактерия B. fragilis заключена в толстую капсулу из углеводов. Капсула, как правило, связана с болезнетворными микроорганизмами (плохими бактериями), пытающимися скрыться от распознавания и атаки иммунной системы организма. Мутантные бактерии, не имеющие этой капсулы, не могут собираться и не обитают в слое слизистой оболочки. Таким образом, исследователи предположили, что капсульные углеводы необходимы для штаммов B. fragilis, чтобы монополизировать свою нишу в кишечнике.

Поскольку известно, что бактериальные капсулы связаны с иммунным ответом у патогенных бактерий, исследователи предположили, что также может быть иммунный ответ на капсулу B. fragilis. Действительно, они обнаружили, что антитела, иммунные белки, которые захватывают и маркируют специфические бактерии или вирусы для других иммунных клеток, которые поглощаются и разрушаются, связываются с капсулой B. fragilis в кишечнике. Один конкретный вид антител, иммуноглобулин A или IgA, обнаружен во всей кишке — на самом деле, это наиболее распространенный тип антител у людей, но его специфические функции были загадочными.

Как правило, ответ на антитело означает неизбежную смерть патогенным бактериям. Но любопытно, что IgA не оказывает отрицательного влияния на большинство бактерий, которые обычно живут в кишечнике. В случае B. fragilis исследователи обнаружили, что это фактически помогло бактериям прилипать к эпителиальным клеткам. Кроме того, у мышей, у которых отсутствовал IgA, бактерия оказалась менее успешной при колонизации поверхности кишечника и поддержании долгосрочной стабильности.

Команда считает, что этот ответ IgA на капсулу B. fragilis помогает привязать бактерии к эпителиальной поверхности, что дает им преимущество.

«Удивительно, что иммунный ответ действительно помогает полезным бактериям процветать, что, в свою очередь, помогает и хозяину процветать», — говорят исследователи. «Изучение иммунологии в основном было связано с патогенными бактериями, но есть триллионы бактерий в кишечнике, и в большинстве случаев никто из них не делает вас больными. Наше исследование показывает, что существует активное иммунное распознавание этих бактерий , но это помогает, а не мешает им. Это говорит нам о том, что иммунная система — это больше, чем просто система защиты, а антитела — не просто оружие».

В будущей работе исследователи планируют изучить, как возникает реакция антител к кишечнику и почему он помогает B. fragilis, в то время как другие антитела повреждают бактерии. В конечном счете, эта работа может быть использована для улучшения колонизации другими полезными бактериями, как с использованием пробиотиков.