Барьерные поверхности всех многоклеточных организмов заселены комменсальными микроорганизмами — микробиотой. Наибольшую ее часть составляют внеклеточные бактерии кишечника. Они играют ключевую роль в развитии и созревании иммунной системы и защищают организм от бактериальных и грибковых инфекций: конкурируют с патогенами за питательные вещества и места прикрепления и вырабатывают антимикробные молекулы. При этом влияние микробиоты на вирусные инфекции долгое время оставалось неясным. В зависимости от условий она может как усиливать восприимчивость к вирусам, так и повышать устойчивость к ним.
Центральное место в противовирусной защите занимают интерфероны I типа (ИФН-I). Во время инфекции их уровень резко возрастает, однако даже в отсутствие патогенов они синтезируются в небольших количествах. Эти базальные интерфероны поддерживают иммунную систему в состоянии постоянной готовности и позволяют быстрее и эффективнее реагировать на вирусы и другие сигналы опасности.
Выработка ИФН-I запускается врожденными иммунными рецепторами, которые распознают микробные молекулы. TLR-рецепторы локализованы на мембранах и в эндосомах, RLR — в цитозоле и реагирует на РНК, cGAS — в цитозоле и реагирует на микробную или потерянную собственную ДНК. Считается, что локализация рецепторов определяет класс патогенов, которые они распознают: внеклеточные микроорганизмы активируют поверхностные рецепторы TLR, а внутриклеточные патогены, включая вирусы, — цитозольные RLR и cGAS.
Микробиота участвует в формировании базального интерферонового фона. Однако попытки объяснить этот эффект через конкретные TLR-рецепторы дали противоречивые результаты: в разных работах ключевая роль приписывалась разным рецепторам, а иногда их вклад вообще не удавалось выявить. Поэтому было неясно, какие именно врожденные пути позволяют иммунной системе «чувствовать» микробиоту и как кишечные бактерии, оставаясь внеклеточными и локальными, могут влиять на удаленные от кишечника иммунные клетки.
Как кишечная микробиота поддерживает противовирусную готовность иммунной системы
Шведские ученые исследовали, как врожденные иммунные пути влияют на базальный интерферон. Чтобы ответить на этот вопрос, ученые использовали генетически модифицированных мышей. Результаты показали, что микробиота кишечника поддерживает базальный уровень ИФН-I через постоянную активацию цитозольного пути cGAS-STING. Этот механизм оказался необходимым для врожденной устойчивости как к ДНК-, так и к РНК-вирусам. При этом прямой контакт кишечных бактерий с клетками организма не требовался. Сигнал передавался дистанционно — с помощью мембранных везикул, содержащих бактериальную ДНК, которые достигали удаленных клеток и запускали у них ответ ИФН.
Кишечная микробиота жизненно важна для врожденной устойчивости к вирусным инфекциям
Эксперименты на мышах показали, что подавление кишечной микробиоты антибиотиками резко снижает врожденную устойчивость к вирусной инфекции. Пероральное введение ампициллина, неомицина и ванкомицина приводило к выраженному обеднению бактериального сообщества кишечника, что сопровождалось усиленной репликацией вируса простого герпеса 1-го типа и более тяжелым течением заболевания как при локальной легочной, так и при системной инфекции.
Пероральное введение антибиотиков вызывало снижение базального уровня ИФН-I и ослабление экспрессии интерферон-стимулируемых генов и провоспалительных цитокинов. В результате организм терял способность эффективно ограничивать размножение вирусов. Этот эффект отсутствовал у мышей с нокаутом рецепторов к ИФН-I.
В совокупности эти результаты показывают, что кишечная микробиота необходима для поддержания врожденного противовирусного иммунитета в состоянии готовности.
Кишечная микробиота поддерживает базальный ответ ИФН-I через STING
Современные представления о врожденном иммунном распознавании микробов исходят из того, что внеклеточные микроорганизмы, включая кишечную микробиоту, воспринимаются главным образом внеклеточными рецепторами, прежде всего TLR. Однако анализ нескольких линий нокаутных мышей показал, что вклад TLR в фоновую активацию системы ИФН in vivo минимален или функционально избыточен. Напротив, удаление cGAS или STING приводило к устойчивому системному снижению базального уровня ИФН-I. Подавление микробиоты антибиотиками воспроизводило этот эффект. Это указывает на незаменимую роль пути cGAS-STING в микробиота-зависимой активации системы ИФН.
Внеклеточные кишечные бактерии активируют ось STING-ИФН-I без прямого контакта с клетками организма
В кровообращении мышей были обнаружены мембранные везикулы, которые выделяются рядом комменсальных бактерий кишечника. Мембранные везикулы, происходящие от разных бактериальных видов, способны доставлять бактериальную ДНК в клетки организма, что приводит к активации оси cGAS-STING-ИФН-I. Таким образом, кишечная микробиота через путь cGAS-STING может запускать ответ ИФН в клетках, находящихся за пределами кишечника.
Для такой межцарственной передачи ДНК должна преодолеть несколько препятствий. К ним относятся:
- слизистый барьер, физически отделяющий микробиоту от кишечного эпителия;
- клеточные мембраны;
- активность нуклеаз, которые разрушают свободную ДНК и тем самым препятствуют переносу генетического материала.
Мембранные везикулы решают эти проблемы: инкапсулированная в них ДНК оказывается защищенной от нуклеаз. Небольшой размер и липидная оболочка везикул позволяют им проходить через биологические барьеры и доставлять свой груз в клетки организма как локально, так в удаленные от кишечника участки. Эти свойства делают мембранные везикулы эффективным средством дистанционной коммуникации между микробиотой и иммунной системой организма. За счет этого микробиота поддерживает системную активацию оси cGAS-STING-ИФН-I и повышает устойчивость к вирусным инфекциям.
Микробиота усиливает защиту от РНК-вирусов через путь cGAS-STING
Зависимая от микробиоты фоновая активация пути cGAS-STING-ИФН-I важна не только для защиты от ДНК-вирусов, но и для устойчивости к РНК-вирусам. У мышей с дефицитом STING наблюдалось снижение базального уровня ИФН-I, ослабленный ответ ИФН на заражение вирусом везикулярного стоматита и замедленный клиренс вируса. Подавление микробиоты антибиотиками снижало базальный ИФН-I и устраняло различия между нормальными и STING-дефицитными мышами, что указывает на ключевую роль микробиоты.
Аналогичные эффекты наблюдались у мышей с дефицитом cGAS: у них снижались базальные уровни ИФН-I и ухудшался клиренс РНК-вируса. Эти различия также исчезали после введения антибиотика. Напротив, стимуляция живыми кишечными бактериями усиливала клиренс РНК-вируса и зависела от STING.
Эти результаты показывают, что, хотя путь cGAS-STING и является ДНК-сенсором, через микробиоту он поддерживает защиту от РНК-вирусов.
Вывод
Цитозольный ДНК-сенсор cGAS играет ключевую роль в распознавании сигналов от кишечной микробиоты и тем самым способствует естественной противовирусной защите организма. Этот механизм не требует прямого контакта кишечных бактерий с клетками организма и реализуется через доставку бактериальной ДНК в удаленные от кишечника клетки с помощью мембранных везикул. Полученные результаты подчеркивают значение микробиоты в поддержании иммунной системы в состоянии постоянной готовности к вирусным угрозам и указывают на потенциальные риски необоснованного применения антибиотиков во время вирусных инфекций.
Источник
The gut microbiota prime systemic antiviral immunity via the cGAS-STING-IFN-I axis
