Главная \ 3. Пробиотики \ Микробиом, иммунитет и пробиотики \ Ариловый углеводородный рецептор и иммунитет

Арилуглеводородный рецептор (AHR) и иммунитет


АРИЛУГЛЕВОДОРОДНЫЙ РЕЦЕПТОР (AHR) И ИММУНИТЕТ

ahr-activation.png

Случайный рисунок: Активация AHR и последующая индукция гена: лиганд  ПАУ связывается с AHR, который первоначально связан с белком теплового шока (HSP90), гомологом иммунофилина (XAP2) и ассоциированным с HSP90 ко-шаперонным белком p23. После связывания с ПАУ AHR перемещается в ядро. ARNT кодирует ядерный транслокаторный белок AHR, который образует комплекс с лиганд-связанным AHR.

num-1_color

Как арилуглеводородный рецептор AHR стал важным в кишечном гомеостазе, иммуниете и иммунопатологии

Agneta Rannug et al.
How the AHR Became Important in Intestinal Homeostasis—A Diurnal FICZ/AHR/CYP1A1 Feedback Controls Both Immunity and Immunopathology
Int. J. Mol. Sci. 2020, 21(16), 5681

Арилуглеводородный рецептор (определение)

AHR (сокр. от англ. Aryl hydrocarbon receptor), также AhRAhr или Ah-рецептор - рецептор ароматических углеводородов, белок у, человека кодируется одноимённым геном AHR, локализованном на коротком плече7-хромосомы. AHR относится к лиганд-зависимым транскрипционным факторам, которые осуществляют регуляцию биологических реакций плоских ароматических систем (ароматических углеводородов). Было показано, что этот рецептор регулирует ферменты, способствующие метаболизму ксенобиотиков, такие как цитохром P450. Белок состоит из последовательности 848 аминокислотных остатков и имеет молекулярную массу в 96 147 Дальтон. AHR встречается в цитоплазме и клеточных ядрах большинства живых клеток позвоночных.


Суточная обратная связь FICZ / AHR / CYP1A1 контролирует как иммунитет, так и иммунопатологию

С 1970-х годов, когда впервые была обнаружена глубокая иммуносупрессия, вызванная экзогенными диоксиноподобными соединениями, участие арилуглеводородного рецептора (AHR) в иммуномодуляции стало предметом значительного исследовательского интереса. Сегодня установлено, что активация этого рецептора его высокоаффинным эндогенным лигандом, 6-формилиндоло[3,2-b]карбазолом (FICZ), играет важную физиологическую роль в поддержании эпителиальных барьеров. В просвете кишечника небольшие количества FICZ, которые продуцируются микробами из L-триптофана, обычно быстро разлагаются индуцибельным ферментом цитохрома P4501A1 (CYP1A1). В этом обзоре описывается, как, когда метаболический клиренс (выведение) FICZ ослабляется за счет ингибирования CYP1A1, это соединение проходит через эпителий кишечника к иммунным клеткам собственной пластинки. FICZ, уровень которого, таким образом, модулируется этой ауторегуляторной петлей, включающей сам FICZ, AHR и CYP1A1, играет центральную роль в поддержании гомеостаза кишечника за счет мощного усиления экспрессии интерлейкина 22 (IL-22) врожденными лимфоидными клетками 3-го типа (ILC3s). IL-22 стимулирует различные эпителиальные клетки к выработке антимикробных пептидов и слизи, тем самым укрепляя эпителиальный барьер против патогенных микробов и способствуя колонизации полезными бактериями. Пищевые фитохимические вещества стимулируют этот процесс, ингибируя CYP1A1 и вызывая изменения в составе кишечной микробиоты. Активность CYP1A1 может быть увеличена другими микробными продуктами, в том числе короткоцепочечными жирными кислотами, тем самым ускоряя клиренс (выведение) FICZ. В частности, бутират увеличивает как уровень активности AHR, так и CYP1A1, стимулируя ацетилирование гистонов, процесс, включенный в суточный цикл петли обратной связи FICZ / AHR / CYP1A1. В настоящее время ключевой интерес представляет изучение потенциального участия FICZ, основного физиологического активатора AHR, в воспалительных расстройствах и аутоиммунных заболеваниях.

1. Введение

Хотя изначально предполагалось, что ферменты семейства цитохрома P450 (CYP) катализируют метаболизм ксенобиотиков и, таким образом, участвуют в химическом канцерогенезе, с тех пор стало ясно, что многие из этих ферментов также играют физиологическую роль в метаболизме различных эндогенных соединений. [1]. Одним из этих эндогенных соединений является 6-формилиндоло[3,2-b]карбазол (FICZ), который связывается с арилуглеводородным рецептором с наивысшим сродством, о котором сообщалось ранее. В отличие от антропогенного 2,3,7,8-тетрахлордибензо-п-диоксина (TCDD) и других хорошо изученных лигандов для AHR, FICZ также является отличным субстратом для CYP1A1, CYP1A2 и CYP1B1, все они кодируются генами, регулируемыми AHR [1]. Соответственно, FICZ участвует в ауторегуляторной петле обратной связи, которая поддерживает свою собственную стационарную концентрацию, как и у многих гормонов, на низком уровне (обзор в [2]).

FICZ был открыт случайно в связи с экспериментами, разработанными для получения димеризованных фотопродуктов планарных биомолекул для тестирования в качестве лигандов для AHR. Аденин подвергали воздействию ультрафиолетового излучения в присутствии триптофана (Trp), фотосенсибилизирующей молекулы, и оказалось, что аналогичное облучение растворов, содержащих только Trp, привело к образованию некоторых соединений, которые могут эффективно конкурировать с TCDD за связывание с AHR. Были идентифицированы два продукта с молекулярной массой 284 и 312 Дальтон, которые сразу же считались эндогенными сигнальными веществами, поскольку они связываются с этим рецептором с более высоким сродством, чем любое другое известное соединение, включая TCDD [3,4].

Впоследствии было показано, что FICZ образуется при воздействии на Trp только H2O2, а также посредством нескольких катализируемых ферментами путей [5]. На сегодняшний день FICZ был обнаружен методом жидкостной хроматографии-масс-спектрометрии в выдержанных партиях Trp [3], средах для культивирования клеток [6,7], культивируемых негематопоэтических клетках [8], гемопоэтических клетках [9], дрожжевых клетках [10], экстрактах кожи человека [10,11], а также колоректальной ткани мыши [12]. Кроме того, в моче человека присутствуют сульфоконъюгаты фенольных метаболитов FICZ [13]. Таким образом, повсеместное образование / присутствие FICZ, хотя и на низких уровнях, в большинстве тканей при нормальных условиях весьма вероятно. Тем не менее, определение FICZ в качестве важного эндогенного агониста AHR было спорным, поскольку многие исследования описывали AHR как очень беспорядочный и предполагали связывание лиганда AHR множеством как эндогенных, так и экзогенных молекул.

Хотя AHR не важен для выживания, этот рецептор участвует в нескольких физиологических процессах, включая регуляцию гомеостаза и иммунитета на эпителиальных барьерах, таких как барьеры, образованные кишечными эпителиальными клетками (IECs) (обзор [14]). Поскольку наиболее мощные иммунные реакции в организме происходят в кишечнике, в настоящее время значительное внимание уделяется выяснению молекулярных механизмов, лежащих в основе роли AHR в клетках слизистой оболочки кишечника, включая IECs и различные иммунные клетки, такие как как В-клетки, Т-клеточные рецепторы γδ Т-клетки (TCRγδ), Т-хелперные 17-клетки (Th17), регуляторные Т-клетки (Treg), регуляторные Т-клетки 1 типа (Tr1), врожденные лимфоидные клетки (ILC), макрофаги (MQ), интраэпителиальные лимфоциты (IEL), дендритные клетки (DC) и нейтрофилы (обзор [15]).

CYP1A1 играет важную роль в иммунной системе кишечника, контролируя связанные стационарные процессы, а также реакции на патогенные воздействия. В настоящем обзоре я обсуждаю новые перспективы роли FICZ, продуцируемого микробиотой в иммунитете кишечника, с особым акцентом на ключевую роль, которую играет CYP1A1 в динамической регуляции стимулированной FICZ продукции интерлейкина 22 (IL-22) и временной паттерн сигнализации AHR в кишечнике.

2. Активаторы AHR способствуют иммунным ответам кишечника.

Огромное количество и огромное разнообразие бактерий в кишечнике, а также выраженные суточные колебания как в составе, так и в функциях кишечного микробиома требуют эффективного барьера для защиты хозяина. Обычно обильная секреция слизи и сильная, но строго регулируемая иммунная система поддерживают этот барьер, но нарушения микробиоты кишечника (называемые дисбактериозом) связаны с несколькими патологическими состояниями, включая воспалительное заболевание кишечника (ВЗК), метаболический синдром и колоректальный рак (CRC) (рассмотрено в [16]).

Недавно в нескольких важных исследованиях было установлено, что AHR необходим как для регуляции гомеостаза кишечных эпителиальных и связанных иммунных клеток, так и для создания соответствующих ответов на повреждение эпителия и вторжение патогенов [17,18,19,20,21 , 22]. Кроме того, этот рецептор, по-видимому, участвует в перистальтических и секреторных рефлексах [23,24].

У мышей, выращиваемых обычным способом, CYP1A1 экспрессируется эпителиальными клетками двенадцатиперстной кишки, тощей кишки и подвздошной кишки [25], причем наиболее выраженная активация TCDD (антропогенного  лиганда для AHR) происходит в проксимальных частях тонкой кишки (SI) [26]. Мыши, лишенные микробов (GF) или получавшие лечение антибиотиком и, таким образом, подвергающиеся воздействию более низких уровней факторов, продуцируемых микробиотой, экспрессируют гены AHR, AHRR и CYP1A1 на более низких уровнях в их SI [25,27, 28,29]. Отсутствие функциональной передачи сигналов AHR у таких животных может объяснить, почему они более восприимчивы к колиту, индуцированному экспериментально, например, тринитробензолсульфоновой кислотой (TNBS) или декстрансульфатом натрия (DSS) [30,31]. Такие результаты подчеркивают участие комменсальных микробов в кишечной иммунной системе через производство факторов, активирующих AHR.

2.1. Диетические активаторы AHR

Еще до того, как Алан Поланд описал AHR в 1976 году [32], Ли Ваттенберг и его коллеги сообщили о повышенном уровне активности CYP1A1 (в то время измеряемой как метаболизм бензо[a]пирена (BaP) или активность арилгидроксилазы (AHH)) в печени и желудочно-кишечном тракте (ЖКТ) грызунов, которых кормили стандартным кормом [33]. Впоследствии они обнаружили, что кормление крыс и мышей зерновой пищей и синтетические полуочищенные диеты, обогащенные фитохимическими веществами, выделенными из растений семейства крестоцветных, люцерны или шпината, приводили к высокому базальному уровню высокоиндуцируемой активности CYP1A1 в их кишечнике, от желудочно-кишечного эпителия тонкой кишки до толстой кишки (обзор [34]). Эта базальная активность была наиболее выражена в проксимальной области тонкой кишки.

Эти результаты в сочетании с ранним интересом к фитохимическим веществам как потенциальным антиканцерогенам послужили стимулом для проведения ряда исследований, направленных на то, чтобы проверить, индуцируют ли крестоцветные овощи активность AHH. Например, было обнаружено, что индол-3-карбинол (I3C), продукт гидролиза глюкобрассицина, продуцируемого мирозиназой, увеличивает активность CYP1A1 в печени и кишечнике грызунов [35,36]. Сам I3C связывается с AHR с низким сродством, но в кислых условиях может давать индоло[3,2-b]карбазол (ICZ), который имеет высокое сродство [37].

Исследования, направленные на раскрытие механизмов, с помощью которых диетические фитохимические вещества индуцируют CYP1A1 в кишечнике, а также влияют на иммунитет кишечника и защищают от воспалительных нарушений в желудочно-кишечном тракте, часто включают сравнение обычного корма на основе зерна и очищенных диет (AIN-76, AIN-93 или аналогичных), дополненных I3C. В настоящее время известно, что широкий спектр фитохимических веществ - включая флавоноиды, алкалоиды, стилбены и куркуминоиды - связываются с этим рецептором без или с низким сродством, но все же активируют CYP1A1, и мы предположили, что соединения, ингибирующие экспрессию и/или активность CYP1A1, могут ослаблять клиренс (удаление) эндогенного FICZ, приводя к косвенной активации AHR [38]. Это может объяснить, почему этот рецептор в кишечнике системно активируется многими пищевыми фитохимическими веществами, которые являются мощными ингибиторами активности CYP1A1 [39,40].

2.2. Микробные активаторы AHR

Симбиоз между резидентной микробиотой и хозяином выгоден обоим во многих отношениях. В анаэробных условиях кишечника микробиота модифицирует многие небольшие молекулы, присутствующие в пище, которые затем попадают в кровоток хозяина и влияют на иммунитет и другие дистальные функции таким образом, чтобы способствовать благополучию хозяина. Например, кишечные бактерии вырабатывают необходимые витамины (например, A, группы B и K), а также серотонин (5-HT), короткоцепочечные жирные кислоты (SCFAs) и некоторые вторичные желчные кислоты [41,42].

Эта микробиота также метаболизирует незаменимую аминокислоту Trp (триптьофан)/*, присутствующую в большом количестве в богатой белком пище, во множество различных индолов. Примеры включают сам индол, индол-3-ацетальдегид (IAAl), индол-3-уксусную кислоту (IAA), индол-3-альдегид (IAl), индол-3-молочную кислоту (IAL), индол-3-акриловую кислоту (IA), индол-3-пропионовая кислота (IPA), индол-3-пируват (I3P), скатол и триптамин (Tra). Многие из них активируют передачу сигналов AHR (см. [42,43,44,45]).

Теперь очевидно, что индольные метаболиты триптофана (Trp), образующиеся в кишечнике млекопитающих, играют важную роль в здоровье кишечника. В частности, метаболизм Trp видами Lactobacillus вызывает антимикробный иммунный ответ, включая продукцию IL-22, который жизненно важен для поддержания целостности слизистого барьера в тонком кишечнике. Многочисленные исследования безмикробных грызунов или животных, получавших антибиотики, показали, что снижение микробного катаболизма пищевого Trp приводит к более высоким концентрациям этой аминокислоты в сыворотке и / или кале и снижению уровней соединений, активирующих AHR [20,28,46,47, 48].

Нарушение транспортных систем Trp также имеет негативные последствия для здоровья кишечника. Например, мыши, лишенные ангиотензин-превращающего фермента 2 (Ace2), плохо усваивают Trp из рациона, а также демонстрируют измененный микробиом кишечника и повышенную предрасположенность к развитию колита [49]. Аналогично, микробиом кишечника у мышей, у которых отсутствует член семейства 9 (CARD9) домена рекрутирования каспаз, изменяется, и эти животные не могут метаболизировать Trp в активаторы AHR, проявляют дефектную экспрессию IL-22 и антимикробных пептидов (AMP), таких как RegIIIβ и RegIIIγ в толстой кишке и более подвержены колиту [19]. Кроме того, дефекты комплекса LAT1-CD98, который транспортирует ароматические аминокислоты, в иммунных клетках ограничивают внутриклеточный уровень FICZ из-за более низкого доступа к Trp [9]. Напротив, повышенные уровни Trp в результате сниженного метаболизма этой аминокислоты у мышей с нокаутом, которые не экспрессируют индоламин-2,3-диоксигеназу 1 (IDO1), усиливают образование микробных индолов, которые активируют AHR [20,48].

Недавнее обновление идентифицировало I3P как один из микробных катаболитов Trp, который наиболее сильно активирует AHR [50]. В анализе конкурентного связывания I3P вытеснил TCDD из AHR мыши с IC50 55 мкМ, то есть более эффективно, чем IAl (IC50> 1 мМ), но гораздо менее эффективно, чем FICZ (IC50 2 нМ), который был включен в этот эксперимент. в качестве положительного контроля, но не рассматривается как потенциальный микробный катаболит. Однако в другом недавнем исследовании уровни FICZ в колоректальной ткани мышей были количественно определены, и результаты подтверждают мнение, что этот лиганд является наиболее мощным активирующим AHR катаболитом Trp в кишечнике [12]. Эти весьма предварительные данные требуют подтверждения в дальнейших исследованиях.

Виды комменсальных бактерий, которые, как было показано, продуцируют индолы, активирующие AHR, включают определенные штаммы Lactobacillus, Allobaculum, Peptostreptococcus и Propionibacterium [20,48,51,52]. Однако многие другие такие виды, вероятно, будут идентифицированы, поскольку обычные бактериальные обитатели кишечника, принадлежащие к нескольким различным типам, преобразуют Trp в I3P, Tra или IAAl [42,44,53], все из которых также являются предшественниками FICZ и других AHR-активирующих индолов (Рис.1).

Схема, описывающая опосредованный микробиотой катаболизм триптофана, который приводит к образованию нескольких соединений, способных активировать арилуглеводородный рецептор (AHR), включая высокоаффинный лиганд FICZ

Рисунок 1. Схема, описывающая опосредованный микробиотой катаболизм триптофана, который приводит к образованию нескольких соединений, способных активировать арилуглеводородный рецептор (AHR), включая высокоаффинный лиганд FICZ (проиллюстрированный буквой F в синем треугольнике).Стимуляция FICZ приводит к тому, что AHR взаимодействует с ядерным транслокатором AHR (ARNT), связывается с элементами ответа AHR (AHREs) и стимулирует экспрессию CYP1A1, который принимает участие в метаболическом клиренсе (выведении, удалении) FICZ. Окислительная связь, которая генерирует FICZ из IAAl, была описана в работе [5].

Другая группа активаторов AHR, продуцируемых микробиотой кишечника, включает ацетат, пропионат и бутират, роль которых в поддержании иммунного гомеостаза кишечника наиболее хорошо документирована. Бутират происходит из микробной ферментации неперевариваемых полисахаридов, в частности пищевых волокон и резистентного крахмала, которые избегают переваривания ферментами в верхнем кишечнике и, следовательно, присутствуют в относительно высоких уровнях (мМ) в просвете нижних отделов кишечника (см. Обзор [54]). Помимо обеспечения важного источника энергии для колоноцитов, бутират подавляет воспаление кишечника и благоприятно способствует развитию и функционированию регуляторных клеток Treg. Многие из противовоспалительных свойств бутират отражают его ингибирование деацетилаз гистона (HDACs) и одновременную активацию определенных рецепторов, связанных с G-белком, на эпителиальных клетках толстой кишки, в частности GPR109A, который экспрессируется на очень высоких уровнях клетками врожденного иммунитета и на эпителии [55,56,57,58].

Отчеты, опубликованные еще в 1996 и 1999 годах, продемонстрировали, что как бутират, так и трихостатин A, другой ингибитор HDAC, успешно восстанавливают экспрессию AHR в клетках гепатомы, дефицитных по индукции мРНК CYP1A1, а также подавляют экспрессию CYP1A1 в невосприимчивых фибробластах к лигандам AHR [59,60]. Несколько последующих исследований установили, что бутират изменяет экспрессию генов CYP1A1, AHR и AHRR и индуцирует активность CYP1A1 как в различных типах клеток in vitro [61,62,63,64], так и у экспериментальных животных [28,65], ингибируя активность HDAC. Однако, хотя Маринелли и его коллеги могли воспроизвести HDAC-зависимую активацию CYP1A1 трихостатином A, они не получили такого же эффекта с бутирата, но вместо этого предположили, что это соединение индуцирует транскрипцию AHR-зависимых генов в качестве лиганда AHR [66]. Более того, в двух других отчетах задокументировано увеличение экспрессии CYP1A1 в клетках, подвергшихся воздействию только бутирата [62,63]. Эти последние данные могут отражать присутствие FICZ или какого-либо другого активатора AHR в среде для культивирования клеток, поскольку, действительно, FICZ был обнаружен в средах для культивирования клеток, подвергнутых воздействию света [6].

3. Механизм(ы), с помощью которого FICZ, IL-22 и бутират способствуют гомеостазу кишечника.

Хотя диетические и микробные индолы, которые активируют AHR и поддерживают колонизацию комменсальными бактериями, необходимы для здоровья кишечника, необходимо поддерживать баланс между толерантностью к таким полезным бактериям и иммунологическими ответами на потенциальные патогенные виды [67,68]. В этом контексте накапливающиеся данные указывают на то, что эпителий кишечника нуждается в постоянном поступлении умеренных уровней IL-22, IL-17 и фактора, стимулирующего колонии макрофагов гранулоцитов (GM-CSF), для защиты от нежелательной микробной инвазии [69].

У взрослых млекопитающих ILCs группы 3 (ILC3s) участвуют в защите от микробных патогенов, а также в регулировании целостности кишечного барьера и относительной численности популяций различных комменсальных бактерий. В то же время, благодаря экспрессии транскрипционного фактора RORγt и цитотоксического рецептора NKp46 (NKp46+ RORγt+ ILC3s), эти клетки считаются наиболее важным источником IL-22 в собственной пластинке тонкой кишки [69,70,71,72], где они реагируют на сигналы, обеспечиваемые диетой и комменсальной микробиотой, а также на свой собственный внутренний циркадный ритм с выработкой IL-22 [73,74]. В связи с этим ключевым наблюдением было то, что AHR необходим для постнатального расширения таких кишечных ILCs [19,75,76]. Действительно, Qiu и его коллеги предположили, что у детенышей мышей (после отъема) AHR отвечает на бактерии в кишечнике способом, который приводит к развитию RORγt+ ILCs [19].

Кроме того, хорошо задокументировано, что в стабильных условиях фитохимические вещества, присутствующие в обычном корме для грызунов, способствуют и поддерживают IL-22-продуцирующие RORγt+ ILCs [19,75,76,77]. Соответственно, микробная флора, AHR и лиганды этого рецептора, которые стимулируют продукцию IL-22 кишечными ILC3s, являются важными врожденными эффекторами здоровья кишечника.

Рисунок 2 и разделы ниже описывают, как FICZ, не расщепляемый в IECs, может поддерживать колонизацию кишечника полезными штаммами бактерий.

FICZ стимулирует колонизацию кишечника полезной микробиотой.

Рисунок 2. FICZ стимулирует колонизацию кишечника полезной микробиотой. Когда CYP1A1-опосредованный клиренс (удаление) микробно-продуцируемого FICZ в кишечном эпителии ингибируется, например, диетическими фитохимическими веществами, лекарственными препаратами или медиаторами воспаления, это соединение будет связываться с арильным углеводородным рецептором (AHR) в RORγt-позитивных врожденных лимфоидных клетках группы 3 (ILC3s). Это стимулирует их секретировать интерлейкин IL-22, который сигнализирует кишечным эпителиальным клеткам (IECs) о выделении антимикробных пептидов (AMPs) и Муцинов, способствующих колонизации комменсальными бактериями.

3.1. Репрессоры CYP1A1 препятствуют клиренсу (удалению) FICZ

Важность функционального AHR-зависимого пути в кишечном эпителии для индукции экспрессии CYP1A1 фактором, происходящим из кишечника, впервые была продемонстрирована исследованиями Ito и его коллег в 2007 году [78]. У мышей (которых кормили стандартным кормом), где ген ARNT был нарушен, преимущественно в IECs, уровни мРНК CYP1A1 и соответствующей ферментативной активности были заметно повышены почти во всех других тканях. В другом исследовании, проведенном на мышах с дефицитом CYP1A1/1A2/1B1, эндогенные лиганды AHR, которые избегают распада в эпителиальной клеточной оболочке, активируют этот рецептор, как показано с помощью fate-репортера Cyp1a1 [21].

В дополнение к такому генетическому подавлению были описаны несколько типов агентов, которые могут предотвратить опосредованное CYP1A1 разрушение FICZ. Активность CYP1A1 может подавляться внешними факторами, потребляемыми перорально или образующимися микробиотой, включая диетические фитохимические вещества, такие как α-нафтофлавон, β-нафтофлавон, галангин, хризин, кемпферол, апигенин, байкалеин и кверцетин [40], а также I3C и его продукты кислотной конденсации 3,3-дииндолилметан (DIM) и ICZ [21]. Фактически, FICZ может замедлять собственное метаболическое разложение, подавляя активность CYP1A1 [79]. Другие ингибиторы активности CYP1A1 включают большое количество противовоспалительных, антидепрессантных, противопаразитарных, антипсориатических, бета-блокирующих и цитостатических препаратов, а также ингибиторы протонной помпы [38,39] и несколько повсеместно распространенных канцерогенных полициклических ароматических соединений. углеводороды (PAH или рус. ПАУ), например бензоапирен (BaP) и 3-метилхолантрен (со значениями IC50 в диапазоне нМ) [80]. В упомянутых выше исследованиях способность ингибировать активность O-деэтилирования 7-этоксирезоруфина использовалась в качестве меры ингибирования CYP1A1, и ингибиторы в основном были субстратами, которые конкурировали с 7-этоксирезоруфином за связывание с ферментом. Таким образом, ингибиторы CYP1A1, которые, как было показано, ослабляют метаболический клиренс (выведение) FICZ, включают широкий спектр фитохимических веществ [81], загрязнителей окружающей среды [82], металлов и окислителей [38,83,84].

Более того, сигналы, высвобождаемые в связи с молекулярными паттернами, ассоциированными с микробами (MAMPs) или патоген-ассоциированными микробными паттернами (PAMPs), могут взаимодействовать с рецепторами распознавания образов (PRRs) на поверхности IECs, DCs и MQs, чтобы запускать нижестоящие сигнальные каскады. Это способствует выработке медиаторов воспаления или инфекции, таких как IL-1β, IL-6, TNF-α и IFNs, что также приводит к ингибированию экспрессии и / или активности CYP1A1 (см. Обзор [85]).

Теоретически в подавлении экспрессии и / или активности CYP1A1 могут быть задействованы несколько молекулярных механизмов, например, конкурентное или смешанное ингибирование фермента, изменения, вызванные активными формами кислорода, или ремоделирование хроматина в промоторной области этого гена. Независимо от задействованного механизма, более низкая активность CYP1A1 позволяет более высоким концентрациям FICZ достигать врожденных лимфоидных клеток, которые экспрессируют IL-22.

3.2. FICZ индуцирует экспрессию IL-22 с помощью ILC3s

IL-22 связывается с гетеродимерным рецептором IL-22Rα1 / IL-10Rβ на эпителиальных клетках и индуцирует нижестоящий сигнальный каскад, который в конечном итоге приводит к фосфорилированию фактора транскрипции STAT3. Эта передача сигналов поддерживает эпителиальный барьер против бактериальных инфекций за счет стимуляции секреции AMPs, например, RegIIIβ, RegIIIγ и членов семейства белков S100 энтероцитами и клетками Панета в тонкой кишке и энтероцитами в толстой кишке мышей [86,87]. Клетки Панета улавливают комменсальные бактерии в кишечнике и помогают в широком регулировании как комменсальных, так и патогенных бактерий, которые поддерживают гомеостаз кишечника [88,89]. Кроме того, IL-22 контролирует регенерацию и восстановление тканей посредством прямого воздействия на эпителиальные стволовые клетки [90], а также побуждает эпителиальные бокаловидные клетки секретировать больше компонентов слизи с образованием толстого гелеобразного слоя, непроницаемого для многих комменсальных бактерий, тем самым ограничивая их потенциал вызывать воспаление [91].

Как упоминалось выше, RORγt+ ILCs, по-видимому, являются основным источником IL-22 в стационарных условиях, и на их конститутивную экспрессию этого цитокина, по-видимому, не влияет провоспалительный цитокин IL-23, который, как известно, активирует продукцию IL-22 как часть реакции на патогены [92]. Строгая зависимость ILC3 и их секреции IL-22 может быть объяснена наличием AHR-чувствительных элементов в промоторной области и интроне 1 гена IL-22 [19]. Кроме того, рекрутирование транскрипционного фактора RORγt к промотору IL-22 облегчается AHR [19,93]. Интересно, что недавно была задокументирована циркадная регуляция числа этих клеток и их экспрессия генов циркадных часов, AHR и IL-22 [73].

Тот факт, что воздействие FICZ на Т-клетки в условиях, индуцирующих Th17-клетки, сильно повышает уровень их мРНК IL-22, был зарегистрирован в 2008 году [94,95]. Впоследствии было обнаружено, что экспрессия этой же мРНК дифференцированными клетками Th17 мыши повышается в присутствии всего лишь 10 пМ FICZ, и эта индукция значительно усиливалась совместным воздействием флуорантена, пирена и фенантрена, экологического ПАУ, которые ингибируют CYP1A1 [21,82].

Теперь ясно, что FICZ стимулирует экспрессию IL-22 множеством различных иммунных клеток, включая ILC3, как in vitro [21,82,96,97,98], включая мононуклеарные клетки собственной кишечной пластинки человека от пациентов с ВЗК [18], так и у экспериментальных животных [18,20,29,98,99]. В этом контексте Monteleone и его коллеги (2011) обнаружили, что чрезвычайно низкое количество FICZ уменьшает колит, вызванный экспериментально у мышей [18]. Однократное внутрибрюшинное введение 1 мкг на мышь (50 мкг/кг) снижало смертность, повышало уровень IL-22 в образцах толстой кишки и улучшало течение колита, индуцированного TNBS или DSS. В качестве доказательства концепции они также продемонстрировали, что нейтрализующее антитело против IL-22 в значительной степени предотвращает эти противовоспалительные эффекты FICZ.

Сходные результаты были получены в другом исследовании [20], и в их сопоставимом исследовании Зеланте и его коллеги продемонстрировали, что введение IAl (18 мг / кг в день в течение 12 дней) мышам улучшало DSS-индуцированный колит [48]. Фактически, есть еще девять сообщений о том, что FICZ защищает от бактериальных инфекций и колитов, вызванных переносом Т-клеток, DSS или TNBS [29,99,100,101,102,103,104,105,106], и только в одном исследовании не наблюдается защиты от колита, вызванного TNBS [12]. Когда Qiu и его коллеги вводили мышам внутрибрюшинно 0,5 мкг FICZ в течение 6 дней, IL-22-продуцирующие ILCs накапливались как в толстой кишке, так и, особенно, в тонкой кишке [19].

3.3. IL-22 способствует колонизации комменсальными бактериями

Обычно более 1×1013 бактерий, преимущественно типы Firmicutes и Bacteroidetes, симбиотически колонизируют кишечник млекопитающих. Плотность микробов самая низкая в тонкой кишке, и микробиота демонстрирует суточную ритмичность как в отношении их локализации, так и производства метаболитов, которые зависят от воздействия света, времени потребления пищи и типа пищи [16,107,108,109].

Было показано, что IL-22 необходим для стимуляции колонизации ЖКТ полезными бактериями и гомеостаза кишечника как в исследованиях на мышах, лишенных этого цитокина, так и на мышах, получавших антитела против него [110]. Зеневич и его коллеги обнаружили, что здоровые мыши нокаутные по IL-22 имеют измененный микробиом толстой кишки, содержащий более низкую относительную численность определенных семейств бактерий, включая Lactobacillaceae, Bacteroidaceae, Clostridiaceae, Peptococcaceae и многие другие. Кроме того, когда у этих животных экспериментально был вызван колит, у них развилось более тяжелое заболевание. Более того, когда их измененная микробиота кишечника была перенесена на мышей дикого типа (WT) в той же клетке, эти животные дикого типа также проявили повышенную восприимчивость к экспериментальному колиту [110].

Примечательно, что бактерии, которые метаболизируют триптофан (Trp), более многочисленны в тонкой кишке, где конститутивная экспрессия IL-22 помогает формировать и ограничивать комменсальное сообщество [20, 111]. Было высказано предположение, что колонизация бактериями, которые метаболизируют Trp и / или укрепляют здоровье другими способами, регулируется доступностью муцинов, а также антимикробными белками, которые могут увеличивать долю Lactobacillus [20,48,110].

По сравнению с разнообразной микробиотой мышей, выращиваемых на обычном корме на основе злаков, иммунный фенотип микробиома мышей, получавших очищенные диеты без фитохимических веществ (часто называемые диетами без лигандов AHR), изменяется аналогично тому, как это наблюдается у животных с дефицитом AHR [28,112,113]. Подобно мышам с дефицитом AHR, животные, получавшие очищенную диету без фитохимических веществ, проявляют повышенную восприимчивость к тяжелому колиту [113,114,115]. Более того, есть многочисленные сообщения о том, что фитохимические вещества, включая берберин [116], куркумин [117], галангин [118], ресвератрол [119] и рутин [120], могут предотвратить микробный дисбактериоз и стимулировать колонизацию кишечника полезными анаэробными бактериями. (обзор [121,122]). I3C, который обычно используется для активации AHR и стимуляции экспрессии IL-22, также может способствовать колонизации полезными бактериями как при введении с пищей [113], так и при внутрибрюшинном введении [123]. Соответственно, Шанц обнаружил, что очищенные диеты оказывают глубокое негативное влияние на состав микробиома тонкой и толстой кишки мыши, снижая количество грамположительных бактерий, принадлежащих к типу Firmicutes, таких как Clostridium butyricum, Faecalibacterium prausnitzii, Roseburia и Lactobacillus [113]. Важно отметить, что это пагубное изменение можно обратить вспять, добавив в рацион I3C. Интересно отметить, что положительные эффекты 13C даже после внутрибрюшинного введения [123] исключают возможность того, что DIM и ICZ, продукты кислотной конденсации этого соединения, образующиеся в желудке [37], были защитными соединениями.

Более того, концентрации бутирата были выше у мышей, получавших обычную пищу, чем у мышей, получавших очищенную диету [124], и бутират-продуцирующие Roseburia spp. были более распространены у мышей, которых кормили очищенными диетами и вводили I3C внутрибрюшинно [123], что иллюстрирует важную роль фитохимикатов в поддержании роста бактерий, продуцирующих бутират. Нижняя часть тонкого киечника (подвздошная кишка) и толстая кишка, где микробная плотность наиболее высока, содержат большое количество бактерий, продуцирующих бутират, принадлежащих к типу Firmicutes (например, штаммы Bacteroides fragilis и Clostridium кластеров IV и XIVa) [55,125]. Комменсальные бактерии, которые продуцируют бутират и используют муцины в качестве источника энергии, способны проникать во внутренний слой слизи и стимулировать лежащие в основе IECs производить муциновые пептиды, а также поддерживать продукцию различных SCFAs. Например, ацетат, который способствует выработке бутирата, иногда должен поставляться путем совместной колонизации первичными деструкторами волокон, которые инициируют утилизацию сложных волокон [54].

Наблюдения, описанные выше, показывают, что обычные диеты (чау-чау) и диеты, обогащенные фитохимическими веществами, влияют на состав кишечной микробиоты таким образом, что благоприятствуют производству как FICZ, так и бутирата. Как и ожидалось, эта продукция полезных микробных метаболитов снижается у животных без микробов [20,28,46,47,48].

3.4. Бутират тонко настраивает сигнализацию IL-22

Бутират помогает поддерживать иммунологический гомеостаз в кишечнике, индуцируя дифференцировку IL-10-продуцирующих Treg-клеток [55] и Tr1-клеток [126], в дополнение к его незаменимому противодействию провоспалительным реакциям, связанным с сигнальными путями, включающими активированный ядерный фактор-kB (NF-kB) и IL-6/STAT3/IL-17 [127,128,129]. IL-10-продуцирующие Tregs играют особенно важную роль в ограничении воспалительных реакций, и существует относительно высокое количество этих клеток в пластинке propria (LP) подвздошной и толстой кишки, где плотность бутират-продуцирующих бактерий также выше, чем в тонкой кишке [108]. Бутират индуцирует дифференцировку и экспансию Tregs путем ингибирования HDACs, что приводит к ацетилированию гистонов, связанных с промоторной областью гена forkhead box P3 (FoxP3) [55]. Дифференцировка FoxP3-отрицательных Tr1-клеток усиливается этим же ингибированием в сочетании с сигнализацией через GPR109A [126].

Когда плотность бактерий, продуцирующих бутират, низкая, ингибиторы активности CYP1A1 могут повышать стационарный уровень FICZ, которому подвергается LP, тем самым стимулируя продукцию IL-22 с помощью RORγt+ ILC3s (рис. 3а). Когда бактерии, продуцирующие бутират, многочисленны, ингибирование HDACs с помощью бутирата усиливает экспрессию и, следовательно, активность CYP1A1 (ссылки см. в разделе 2.2). Что особенно важно, это приводит к более обширному клиренсу (выведению) FICZ, не позволяя этому веществу продолжать стимулировать продукцию IL-22 с помощью ILC3 (рис. 3b).

Стационарные уровни 6-формилиндоло[3,2-b]карбазола (FICZ) влияют на иммунитет кишечника

Рисунок 3. Стационарные уровни 6-формилиндоло[3,2-b]карбазола (FICZ) влияют на иммунитет кишечника. Количество FICZ (обозначено буквой F в синем треугольнике), которое достигает собственной пластинки, зависит от активности CYP1A1 в эпителиальной выстилке, которая модифицируется присутствием ингибиторов CYP1A1. Бутират может в силу своей ингибирующей функции гистондеацетилазы (HDACi) способствовать увеличению количества Foxp3-положительных и отрицательных регуляторных Т-клеток (Treg и Tr1-клетки), а также увеличению экспрессии CYP1A1 в эпителиальных клетках кишечника. (a) При низких уровнях бутирата повышенному иммунитету способствуют ингибиторы CYP1A1, которые заставляют FICZ достигать собственной пластинки и стимулировать экспрессию IL-22 и IL-17 в клетках Th17 и ILC3. Связывание IL-17 и IL-22 с их рецепторами на эпителиальных клетках стимулирует повышенную продукцию муцинов и антимикробных пептидов (AMPs); (b) При высоком уровне бутирата высокая активность CYP1A1 способствует выведению FICZ. Иммунитет подавляется, и клетки Treg и Tr1 вырабатывают IL-10, который помогает поддерживать толерантность к комменсальным бактериям, связываясь с рецепторами на эпителиальных клетках; (c) Ежедневные 24-часовые циклы активности CYP1A1 и уровней FICZ.

4. Суточная ритмичность активности CYP1A1.

Результаты Schiering с коллегами связывают отсутствие активности CYP1A1 в мышиных IECs с повышенным количеством ILC3 и Th17 в толстой кишке, большим количеством белка IL-22 в культурах эксплантатов толстой кишки и повышенным ответом на патогены [21]. Напротив, толстая кишка мышей, у которых IECs экспрессировали CYP1A1, содержала существенно меньше ILC3 и Th17 и меньше белка IL-22, и эти животные были более восприимчивы к кишечной инфекции. Эти наблюдения демонстрируют, что, по крайней мере, у мышей активность CYP1A1 в IECs контролирует уровни IL-22 в кишечнике, и что во избежание воспалительных расстройств эти уровни необходимо регулировать.

Интересно, что наблюдаются выраженные суточные колебания в составе кишечного микробиома [130], причем количество бактерий, прикрепляющихся к кишечному эпителию ночью, различается в 10 раз больше, чем днем. Более того, количество SCFAs и других микробных продуктов колеблется в зависимости от характера и времени диеты [130, 131]. Следовательно, микробная продукция лигандов, полученных из Trp, и бутирата в кишечнике варьируется в течение 24 часов. Более того, уровень кодирования мРНК и активность CYP1A1 в печени и легких грызунов также колеблются в течение дня [132, 133], как и уровни мРНК и белка AHR и ARNT в печени [133, 134], а также мРНК AHR в кишечных ILC3. [73]. Однако, поскольку немногие исследователи в этой области знают об этих колебаниях, немногие экспериментальные исследования включают отбор проб в разное время в течение дня.

Таким образом, суточные колебания ауторегуляторной петли FICZ / AHR / CYP1A1 способствуют колонизации кишечника симбиотическим микробиомом, помогая поддерживать толерантность к полезным бактериям (рис. 3c).

5. Когда нарушен микробный гомеостаз в кишечнике

Тот факт, что продукция IL-22 клетками ILC3s имеет как положительные, так и вредные эффекты, привел к тому, что в нескольких обзорах IL-22 был назван двусторонним цитокином или палкой о двух концах [67,69,74,111]. В здоровых условиях IL-22 конститутивно экспрессируется ILC3 в тонкой кишке независимо от IL-23 [92,111] и практически не обнаруживается в слизистой оболочке толстой кишки [91,104,135].

Чтобы держать патогенные микробы, такие как Citrobacter rodentium, под контролем в толстой кишке, экспрессия AMPs эпителиальными клетками индуцируется посредством процесса, включающего передачу сигналов IL-23 и раннюю продукцию IL-22 с последующей экспрессией IL-17, которая действует синергетически с IL-22 [67,69,70,136]. Qiu и его коллеги (2012) обнаружили, что у AHR-дефицитных ILCs отсутствует рецептор IL-23 (IL-23R) и что мыши, нокаутные по AHR, экспрессируют IL-22 на пониженных уровнях и, в отличие от мышей дикого типа, погибают от инфекции C. rodentium. Введение плазмиды, кодирующей IL-22, защищает таких нокаутных по AHR животных от ранней смертности [19]. В соответствии с этим, ILC3 в толстой кишке пациентов, страдающих ВЗК, не регулируются и экспрессируют аномально высокие уровни как IL-22, так и IL-17 [69]. Важное наблюдение, которое неоднократно наблюдалось, заключается в том, что пациенты с ВЗК демонстрируют резко усиленный микробный дисбиоз, в частности, с уменьшением количества бактерий, которые продуцируют бутират [137,138,139]. Также документально подтверждено значительное снижение продукции бутирата у пациентов, страдающих другими аутоиммунными заболеваниями, такими как диабет 2 типа [140], синдром Бехчета [141] и ревматоидный артрит [65].

В совокупности данные, представленные в таблице 1, предполагают, что во время инфекций требуется контроль эндогенной передачи сигналов AHR, поскольку в противном случае чрезмерное и устойчивое производство IL-22 может оказывать пагубное воздействие на толстую кишку, что может привести к хроническим воспалительным нарушениям и потенциальному аутоиммунитету.

Таблица 1. Возможное влияние различных условий, регулирующих уровень активности CYP1A1, на уровни FICZ и иммунитет в кишечнике.

Состояние
Уровень FICZ
Уровень IL-22
Кишечный иммунитет
Влияние на здоровье
Обычные диеты
Зависит от времени приема пищи
Плавающий
Баланс
Норма
Очищенные диеты
Низкий
Низкий
Низкий
Иммунодепрессия
Отсутствие микробов или лечение антибиотиками
Низкий
Низкий
Низкий
Иммунодепрессия
Постоянно высокая активность CYP1A1
Низкий
Низкий
Низкий
Иммунодепрессия
Постоянно низкая активность CYP1A1
Высокий
Высокий
Высокий
Воспалительные расстройства и аутоиммунитет

6. Выводы

Наблюдения, описанные выше, показывают, что пищевые фитохимические вещества активируют AHR-зависимые иммунные процессы не в качестве лигандов для AHR, а путем воздействия на состав кишечной микробиоты таким образом, который способствует выработке как FICZ, так и бутирата.

К сожалению, тысячи экспериментальных исследований колита, о которых сообщалось, включая страдания и страдания большого количества лабораторных животных, еще не привели к эффективному лечению пациентов с ВЗК. Новые стратегии, основанные на наших знаниях об участии FICZ в кишечном иммунитете, могут привести к более эффективному контролю этого заболевания, а также других аутоиммунных заболеваний, поскольку FICZ может активировать толерогенные Т-клетки (рассмотренные в [2]), в дополнение к стимуляции системной сигнализации IL-22, описанной в этом обзоре. Однако, как упоминалось выше, биологические функции IL-22 сложны, и поэтому требуется больше механистической информации.

Самое поразительное понимание, которое приходит из более ранних работ в нашей собственной лаборатории в сочетании с рассмотренной здесь литературой, заключается в том, что ритмические колебания уровней FICZ и IL-22 необходимы для поддержания гомеостаза кишечника.

  • Когда активность CYP1A1 слишком низкая (что приводит к высоким уровням FICZ), повышается защита от комменсальных и патогенных микробов.
  • С другой стороны, когда активность CYP1A1 слишком высока (низкие уровни FICZ), хозяин становится восприимчивым к инфекциям.
  • Суточные колебания активности CYP1A1 точно настраивают активность IL-22.

Таким образом, более детальное понимание суточной регуляции перекрестных помех между FICZ и комменсальными бактериями, которые производят бутират, как при нормальном функционировании кишечного барьера, так и в периоды инфекции, может проложить путь к новым методам лечения ВЗК, других аутоиммунных заболеваний, а возможно, и колорктального рака.

Литература→


num-2_color

Ариловый углеводородный рецептор контролирует регуляторную функцию CD4+ Т-клеток

Краткие сведения: Активированный лигандом транскрипционный фактор ариловый углеводородный рецептор (AhR) уже много десятилетий изучается в токсикологии как лиганд для загрязнителя окружающей среды диоксина. Тем не менее, AhR недавно появился в качестве критического физиологического регулятора иммунных реакций, влияющих как на врожденные, так и на адаптивные системы, и недавно было изучено несколько лигандов AhR с различными фармакологическими профилями. В настоящем обзоре обсуждается новое понимание роли сигналов AhR и лигандов AhR в регуляции иммунной системы с акцентом на регуляторные Т-клетки, которые поддерживают иммунную толерантность. Примечательно, что AhR экспрессируется и модулирует развитие двух индуцированных регуляторных CD4+ подмножества Т-клеток, Foxp3регуляторные Т-клетки (iTreg) и IL-10-секретирующие регуляторные Т-клетки типа 1 (TR1), через различные сигнальные пути. Лиганды AhR могут быть использованы для облегчения аутоиммунных заболеваний человека. Очевидно, что препараты, направленные против AhR, должны способствовать разработке новых стратегий борьбы с аутоиммунными заболеваниями.

Таблица 1: Характеристики регуляторных Т-клеток.
CD4+ регуляторные Т-клетки могут быть разделены на естественные Foxp3+ Tregs, которые генерируются в тимусе (nTregs), или Tregs, генерируемые на периферии, которые включают iFoxp3+Tregs, TR1 и TH3 клетки.
 
nTregs
iTregs
TR1
TH3
Место генерации
Тимус
Периферические лимфоидные органы
Периферические лимфоидные органы
Периферические лимфоидные органы
Дифференцирующий цитокин
анти-CD3 (оральная толерантность)
Поверхностные маркеры
CD25 (IL-2R), CTLA4, GITR
Неизвестный
LAP
CD25
Транскрипционный фактор
Foxp3, AhR
AhR, c-Maf, Tbx21
?
Стимулирующий рост цитокин
IL-2
IL-21
?
Режим подавления
множественный
множественный
множественный
множественный
Зависит от контакта
CD39
LAP
Не зависит от контакта
TGF-β, IL-35, IL-10
TGF-β, IL-35, IL-10
IL-10
TGF-β, IL-10

CTLA4, цитотоксический Т-лимфоцитарный антиген 4; GITR, ген, регулируемый семейством рецепторов TNF, индуцированных глюкокортикоидами; Tbx21, фактор транскрипции T-box TBX21; LAP, латентно-ассоциированный пептид.

Лиганды AhR модулируют иммунный ответ

AhR представляет собой фактор транскрипции, который требует активации лигандом для обеспечения его транскрипционной активности. AhR находится в цитозоле в неактивной форме в комплексе, состоящем из нескольких белков (Hsp90 или ARA9). После активации лигандом AhR претерпевает конформационные изменения, которые делают возможным его перемещение в ядро. Затем AhR может инициировать транскрипцию промоторов, содержащих консенсусную последовательность диоксин-чувствительного элемента (DRE). DRE обнаружены в промоторах нескольких генов, задействованных в иммунной системе.

Лиганды AhR можно разделить на соединения (1.) экзогенного происхождения из загрязнителей окружающей среды (искусственные ароматические загрязнители окружающей среды или фармацевтические компоненты) или природного происхождения (лиганды, синтезированные микробами или растениями, которые можно найти, например, в продуктах питания), и соединения (2.) эндогенные лиганды, присутствующие в организме человека (таблица 2). Лиганд 2,3,7,8-тетрахлордибензо-п-диоксин (TCDD) является наиболее изученным экзогенным лигандом, и наибольшее понимание биологии AhR основано на его эффекте. Лечение TCDD in vivo ослабляет течение нескольких моделей аутоиммунных заболеваний на мышах, включая рассеянный склероз [7, 10], колит [18] и увеоретинит [19]. Однако из-за неблагоприятного биологического профиля TCDD (высокое сродство к AhR, длительный период полураспада) и влияния на эмбриогенез и онкогенез его применение в клинике ограничено [20].

Помимо загрязнителей окружающей среды, естественные лиганды AhR присутствуют в пище или могут быть образованы в желудочно-кишечном тракте из пищевых соединений, таких как индирубин, компонент традиционной китайской фитотерапии [21, 22], куркумин, распространенная специя, используемая в индийской кухне, или индол-3-карбинол, обнаруженный в овощах семейства крестоцветных (таблица 2). Интерес к естественным лигандам AhR и иммунологии кишечника растет, о чем свидетельствуют несколько недавних публикаций. Первое исследование показало, что воздействие лигандов AhR через диету даже в первые недели жизни имеет решающее значение для развития иммунных ответов, поскольку они контролируют созревание врожденных лимфоидных клеток (ILC) [2]. ILC управляет иммунными ответами против кишечных инфекций, и их генерация нарушена у мышей с дефицитом AhR. Мыши, которых кормили диетами, лишенными естественных лигандов AhR, страдают от недостаточного образования ILC и склонны к кишечной инфекции. Единственное добавление в рацион природного лиганда AhR индол-3-карбинола (таблица 2) восстанавливает как генерацию ILC, так и иммунный ответ AhR-зависимым образом. Это подчеркивает важность воздействия агонистов AhR через прием пищи и их роль в поддержании гомеостаза кишечника. Чтобы подтвердить эти результаты, группа Zhou аналогичным образом показала, что AhR необходим для развития подмножества ILC (то есть RORyt+) у мышей [23]. Взрослые мыши с дефицитом AhR имеют пониженное количество ILC как в тонком, так и в толстом кишечнике и более восприимчивы к кишечным инфекциям. Поразительно, что дефицит ILC стал очевиден, когда мыши с дефицитом AhR были близки к возрасту отлучения от груди, указывая на влияние экзогенных факторов, таких как потребление пищи, на развитие иммунного ответа. Авторы предположили, что продукция IL-22, индуцированная сигнализацией AhR, является важным медиатором защитных эффектов AhR в кишечнике, поскольку экспрессия IL-22 может спасти мышей с дефицитом AhR от гибели от тяжелой кишечной инфекции. Группа Colonna получила аналогичные результаты и показала, что AhR стимулирует развитие ILC22 (защищают слизистую оболочку кишечника от инфекций, выделяя IL-22 – ред.) и постнатальных лимфоидных тканей, которые имеют решающее значение для ответа на инфекции кишечника [24]. Они предполагают, что передача сигналов AhR частично регулирует IL-22 через пути Notch. Аналогичным образом группа Вельдхоена показала, что интраэпителиальные лимфоциты (IEL), которые важны для защиты первой линии от кишечных инфекций или защиты кожи, зависят от активации AhR лигандами пищевого происхождения для поддержания своего образования и контроля микробной нагрузки и состав в кишечнике [25]. Взятые вместе, результаты этих исследований показывают, что передача сигналов AhR важна для поддержания иммунитета кишечника, а также что экзогенные диетические лиганды AhR имеют решающее значение для формирования нашего иммунного ответа.

Распознавание эндогенных лигандов наделяет AhR физиологической ролью в тонкой настройке иммунного ответа и не ограничивает роль AhR как единственного рецептора для соединений окружающей среды. Лиганд 6-формилиндоло[3,2-b]карбазол (FICZ) был первым описанным эндогенным лигандом AhR (таблица 2). FICZ образуется, когда его предшественник триптофан подвергается воздействию света на коже. Подобно TCDD, FICZ обладает иммунорегуляторными свойствами, и введение FICZ снижает тяжесть колита в различных моделях воспалительного заболевания кишечника (ВЗК) на мышах за счет уменьшения воспалительных реакций и стимулирования продукции IL-22, цитокина семейства IL-10 [18]. Другой предполагаемый эндогенный лиганд AhR, метил 2-(1Н-индол-3-карбонил)тиазол-4-карбоксилат (ITE), индуцирует функциональные Treg, которые подавляют EAE аналогично TCDD [26]. В последнее время основное внимание уделяется лиганду кинуренин (Kyn), первому продукту распада индоламин-2,3-диоксигеназы (IDO)-зависимого триптофана, который в настоящее время все чаще признается как эндогенный лиганд AhR [9]. Действительно, Kyn вырабатывается дендритными клетками (DC) в месте воспаления и способствует образованию регуляторных Т-клеток, подобных TCDD.

Таблица 2: лиганды AhR. Структуры и происхождение экзогенных, загрязнителей окружающей среды, пищевых и эндогенных лигандов AhR обсуждаются в этом обзоре.
лиганды AhR
источник
Экзогенные лиганды
Загрязняющие окружающую среду вещества
– 2,3,7,8-тетрахлордибензо-п-диоксин (TCDD 
Токсичное вещество, образующееся при сгорании органических соединений
Диетические
Компонент китайской медицины
Крестоцветные овощи (брокколи)
Индийская специя
Эндогенные
– 6-формилиндоло[3,2-b]карбазол (FICZ)
Фотопродукт триптофана
– Метил 2-(1Н-индол-3-карбонил) тиазол-4-карбоксилат (ITE)
Соединение, полученное из индирубина
– Кинуренин (Kyn)
Триптофан продукт

AhR и регуляторные Т-клетки

Funatake et al. впервые описал важность передачи сигналов AhR в генерации Tregs in vivo [27]. Используя мышиную модель острого ответа «трансплантат против хозяина», они показали, что донорские Т-клетки приводили к генерации подмножества регуляторных CD4+ Т-клеток при переносе мышам, обработанным in vivo TCDD. Индукция этих регуляторных Т-клеток зависела от AhR и отменялась, если у мышей-реципиентов был дефицит AhR. Генерация этих TCDD-индуцированных Treg не приводила к увеличению количества уже циркулирующих nTreg, поскольку TCDD-индуцированные Treg могли генерироваться в системе, лишенной nTreg. Авторы продолжили изучение этих TCDD-индуцированных Treg и выполнили ex vivo характеристику TCDD-индуцированных CD4+ клеток, сравнивая TCDD-индуцированные Treg с n-Treg. Они показали, что TCDD-индуцированные регуляторные Т-клетки отличаются от nTreg, экспрессируют поверхностные маркеры CD25, CTLA4 и GITR и продуцируют высокие уровни IL-10 и гранзима B [6]. Эти новаторские исследования in vivo послужили толчком для дальнейшего изучения дифференцировки Т-клеток in vitro с очищенными Т-клетками.

Передача сигналов AhR в Treg

Рисунок 1. Передача сигналов AhR в Treg. Показаны молекулярные механизмы, с помощью которых AhR способствует клетке Foxp3+ Tregs Экзогенный лиганд AhR индуцирует толерогенные DCs несколькими путями. Во-первых, активация AhR усиливает экспрессию Aldh1a1, который управляет секрецией RA. В Т-клетках RA связывается с RAR и RXR, которые, в свою очередь, связываются с промотором Foxp3. Во-вторых, активация AhR индуцирует образование Kyn IDO-зависимым образом в DCs. Kyn также действует как эндогенный лиганд AhR и способствует экспрессии Foxp3. Кроме того, активация AhR опосредует частичное деметилирование промотора Foxp3 в CD4+ Т-клетках. Сокращения: RA, ретиноевая кислота; RAR, рецептор ретиноевой кислоты; RXR, Ретиноидный X-рецептор; Kyn, кинуренин; IDO, индолеамин 2,3-диоксигеназа.

Передача сигналов AhR в клетках TR1

Рисунок 2. Передача сигналов AhR в клетках TR1. Показаны молекулярные механизмы, с помощью которых AhR способствует дифференцировке клеток TR1. Во-первых, лиганды AhR связываются с AhR и трансактивируют промотор il21 с c-Maf, который способствует пролиферации клеток TR1. Во-вторых, тот же комплекс AhR и c-Maf трансактивирует промотор il10 и опосредует функцию подавления клеток TR1. В-третьих, AhR управляет трансактивацией промотора Gzmb, который способствует экспрессии гранзима B, что способствует супрессивной активности клеток TR1.

AhR и Foxp3+ Tregs

Как упоминалось выше, Foxp3+ Tregs можно разделить на производные тимуса nTregs и адаптивные iTreg, генерируемые на периферии. Было высказано предположение, что in vivo TCDD не увеличивает популяцию nTregs, но способствует генерации iTreg на периферии [27]. Поскольку ранние иммунотоксикологические исследования показали, что воздействие TCDD способствует инволюции тимуса [28], можно подумать, что воздействие TCDD ухудшает генерацию nTregs. Эффект TCDD или других лигандов AhR на развитие nTregs в тимусе формально не изучался, поскольку анализ TCDD-индуцированных Tregs проводился у взрослых мышей.

TGF-β имеет решающее значение для развития iTreg как in vitro, так и in vivo [29]. iTregs экспрессируют высокие уровни CD25, рецептора IL-2, и зависят от внешнего источника IL-2, способствующего их росту (таблица 1). Чтобы изучить роль активации AhR в биологии Treg, были проведены многочисленные исследования с высокоаффинным агонистом AhR TCDD. Интересно, что много лет назад было описано, что TCDD подавляет функцию эффекторных Т-клеток и способствует развитию инфекций. За последнее десятилетие было обнаружено, что TCDD дополнительно индуцирует Treg, которые полезны для борьбы с аутоиммунными заболеваниями, такими как диабет I типа [30], рассеянный склероз [7] и колит [31], а также в снижении тяжести заболевания трансплантат против хозяина [27]. Высказывались сомнения относительно влияния TCDD на Treg, поскольку было высказано предположение, что увеличение количества Treg может быть результатом косвенного токсического действия TCDD. Было высказано предположение, что TCDD приводит к гибели обычных Т-клеток, в то время как Treg считаются более устойчивыми к апоптозу [32] (обзор в [33]). Хотя эта тема все еще обсуждается, эта гипотеза никогда не была подтверждена экспериментально. Действительно, TCDD не изменяет начальную экспансию активированных CD4+ Т-клеток в селезенке мышей, зараженных антигеном, но способствует преждевременному снижению их количества до развития эффекторных клеток. Кроме того, TCDD не показал прямого токсического действия при тестировании на нескольких клеточных линиях [34]. С другой стороны, накопление доказательств указывает на то, что передача сигналов AhR оказывает специфическое влияние на генерацию Treg. Во-первых, наивные Т-клетки, выделенные из мышей, нулевых по AhR, неэффективно генерировали Treg in vitro [35]. Во-вторых, независимые группы показали, что природные лиганды AhR, такие как диетические лиганды AhR, полученные из индирубина, индол-3-карбинола и индирубин-3'-оксима [36], а также эндогенные лиганды AhR ITE и Kyn способствуют дифференцировке Tregs, которые подавляют аутоиммунитет [26, 37].

Молекулярная основа, с помощью которой передача сигналов AhR модулирует биологию Treg, становится понятной. Передача сигналов AhR напрямую формирует дифференцировку Treg, определяя состояние метилирования промотора Foxp3 (рис. 1). Метилирование ДНК в промоторной области гена связано с потерей экспрессии этого гена. TCDD опосредует частичное деметилирование промотора Foxp3 и, следовательно, усиливает экспрессию Foxp3, в то время как он опосредует метилирование промотора Il17 и снижает экспрессию IL-17, провоспалительного цитокина, секретируемого TH17 [31].

Кроме того, AhR индуцирует толерогенные DCs, которые способствуют генерации Treg. Были предложены различные механизмы, с помощью которых AhR допускает использование DC. Во-первых, активация AhR способствует индукции IDO путем связывания промотора Ido, который содержит предполагаемые консенсусные последовательности DRE [38]. Накапливающиеся данные указывают на то, что IDO играет ключевую роль в индукции толерогенных DCs (см. Обзор [39]). IDO истощает триптофан в локальной тканевой микросреде и генерирует иммунорегуляторные катаболиты, такие как Kyn. И голодание по триптофану, и присутствие Kyn способствуют образованию Tregs. Активация AhR in vivo с помощью TCDD индуцирует IDO1 и IDO-подобный белок IDO2, который дополнительно управляет экспрессией Foxp3 [40]. Кроме того, недавняя публикация исследовала связь между активацией AhR с помощью Kyn и генерацией Tregs in vitro [41]. Эти авторы показали, что IDO, генерируемая DCs, ведет к усиленному образованию Kyn, что непосредственно способствует генерации Tregs (рис. 1).

Генерация ретиноевой кислоты (RA), активной формы витамина A, является еще одним механизмом, с помощью которого лиганд AhR индуцирует толерогенные DCs, которые поддерживают дифференцировку Treg [26]. Обработка DCs лигандом AhR ITE способствует экспрессии дегидрогеназы сетчатки Aldh1a1, которая усиливает секрецию RA (рис. 1). Примечательно, что RA образует комплекс с ядерными рецепторами, рецепторами RA (RAR) и рецепторами ретиноидов X (RXR), который контролирует трансактивацию промотора foxp3 в координации с другим фактором транскрипции, таким как гомолог 3 MAD (Smad3), тем самым способствуя дифференцировке Treg.

Передача сигналов AhR контролирует не только мышь, но и поколение Treg человека. В отличие от мышиных Treg, наивные Т-клетки человека, дифференцированные с TGF-β in vitro, экспрессируют Foxp3, но не приобретают супрессивных свойств. С другой стороны, добавление лиганда AhR к наивным Т-клеткам, дифференцированным в присутствии TGF-β, индуцирует супрессивные Foxp3+ Treg. Активация AhR не приводит к повышению уровня экспрессии Foxp3, но способствует экспрессии CD39, эктонуклеотидазы, которая гидролизует АТФ и обеспечивает супрессивную активность Treg [8, 42]. Дефицит CD39 связан с обострением аутоиммунных заболеваний при колите у мышей, а полиморфизм гена CD39 у человека связан с более высокой восприимчивостью к воспалительным заболеваниям кишечника [43]. В заключение, AhR модулирует развитие Treg как у мышей, так и у человека с помощью множества механизмов.

AhR и TR1

Клетки TR1 являются важной подгруппой среди регуляторных Т-клеток, секретирующих IL-10, и характеризуются уникальным профилем продукции цитокинов: высокими уровнями IL-10, IL-21, некоторым количеством IFN-γ, низкими уровнями IL-2 и отсутствием IL-4 (таблица 1) (см. Обзор [17]). Интересно, что клетки TR1 были впервые описаны у пациентов с тяжелым комбинированным иммунодефицитом (SCID), у которых развилась длительная толерантность к аллотрансплантатам стволовых клеток, что позволяет предположить, что эти клетки подавляли иммунные ответы у людей [44]. Действительно, во время воспалительных заболеваний человека, таких как рассеянный склероз, частота и функциональность TR1-клеток нарушаются [45, 46]. Исследования TR1-клеток затруднены из-за отсутствия известных специфических клональных факторов транскрипции или поверхностных маркеров, которые облегчили бы их отслеживание in vivo, и трудностей их выращивания in vitro из-за их низких пролиферативных свойств. Интерес к клеткам TR1 недавно возродился после открытия, что цитокин IL-27 необходим для их развития [47]. Было показано, что экзогенные и эндогенные лиганды AhR (TCDD, FICZ или IDE) способствуют функции клеток TR1, поскольку они усиливают экспрессию ключевых белков, участвующих в их биологии, таких как IL-10, IL-21 [9] и Granzyme B [8]. Наивные Т-клетки мышей, культивированные в присутствии только лигандов AhR, не способны превращаться в клетки TR1 в отсутствие IL-27. Действительно, IL-27 индуцирует экспрессию факторов транскрипции AhR и протоонкогена c-Maf, который делает возможной активацию передачи сигналов AhR. IL-27 неэффективно управляет генерацией клеток TR1 в отсутствие AhR или c-Maf [9]. При активации AhR образует комплекс с c-Maf, который способствует трансактивации промоторов il10 и il21 (рис. 2) [9, 48, 49]. IL-10 и IL-21 являются двумя важными цитокинами, участвующими в биологии клеток TR1: IL-10 имеет решающее значение для супрессивных характеристик клеток TR1 и IL-21 для размножения и поддержания клеток TR1 [48] (обзор в [49, 50]). Интересно, что недавно было показано, что комплекс c-Maf и AhR также играет роль во время дифференцировки TH17, контролируя экспрессию IL-22 [51]. Мыши, инъецированные лигандом AhR FICZ, защищены от развития колита и имеют заметное подавление воспалительных цитокинов, но индукцию IL-22 клетками TH17 [18]. Примечательно, что AhR и c-Maf экспрессируются в клетках TR1, но не управляют экспрессией IL-22 в этом типе клеток. Это продвигает идею о том, что, хотя AhR и c-Maf имеют решающее значение в управлении экспрессией цитокинов, участвующих в дифференцировке различных субпопуляций Т-клеток, дополнительные, но неизвестные триггеры, индуцированные IL-27, имеют решающее значение для контроля регуляции транскрипции TR1-клетки.

Подобно клеткам TR1 мыши, передача сигналов AhR важна для дифференцировки клеток TR1 у человека. В соответствии с результатами, полученными на клетках TR1 мыши, фактор транскрипции человека AhR взаимодействует с c-Maf, что в конечном итоге приводит к усиленной секреции IL-10 из клеток TR1 [9]. Хотя эти наблюдения согласуются с ролью AhR в дифференцировке TR1-клеток мыши, активация CD4+ T-клеток человека с помощью лигандов AhR в отсутствие IL-27 была способна управлять дифференцировкой TR1-клеток. Примечательно, что c-Maf, который необходим для дифференцировки мышиных TR1-клеток, обнаруживается в человеческих Т-клетках, активированных без IL-27. Поскольку экспрессия c-Maf строго зависит от IL-27 у мышей, наблюдение, что TCDD или FICZ сами по себе управляют размножением клеток TR1 человека, может быть связано с их экспрессией c-Maf при единственной активации. Действительно, сверхэкспрессия c-Maf индуцирует предельную экспрессию IL-10 из CD4+ Т-клеток человека, тогда как TCDD-управляемая активация AhR в сочетании с избыточной экспрессией c-Maf приводит к значительной экспрессии IL-10 [8]. IL-10 необходим, но недостаточен для функционирования TR1 клеток человека, поскольку их способность подавлять иммунные ответы также зависит от экспрессии гранзима B [52, 53]. Интересно, что помимо увеличения экспрессии IL-10, AhR трансактивирует промотор Gzmb и управляет экспрессией гранзима B, что способствует супрессивной активности клеток TR1 (рис. 2) [54]. В заключение, подобно Foxp3+ Tregs, AhR модулирует развитие клеток TR1 как у мышей, так и у человека, используя разные пути передачи сигналов.

AhR и IL-22

Хотя данные, полученные в ходе обсужденных выше исследований, подтверждают утверждение, что AhR участвует в генерации регуляторных клеток, исследование ex vivo Т-клеток, полученных от человека, отравленного очень высокими уровнями TCDD, не показало ни экспансии Foxp3+ Treg-клеток, ни Т-клеток, продуцирующих IL-10 [55]. Интересно, что Т-клетки этого пациента проявляли фенотип IL-22. Как обсуждалось ранее, IL-22 является членом семейства IL-10-цитокинов (рассмотрено в [5]), которое играет решающую роль в коже и слизистой оболочке кишечника [51]. Для усиления связи между продуцированием AhR и IL-22 было показано, что мыши, которым вводили FICZ, усиливали продукцию IL-22 и были защищены от нескольких моделей мышиного колита [18]. IL-10 и IL-22 принадлежат к одному семейству, что позволяет предположить, что эти два цитокина могут регулироваться с помощью аналогичных механизмов [5]. Новое понимание было получено в двух недавних исследованиях, показывающих, что передача сигналов AhR усиливает продукцию IL-22 путем непосредственного связывания с промотором il22 в координации с фактором транскрипции RORγt [23] или посредством передачи сигналов Notch [56]. Хотя точный молекулярный механизм, лежащий в основе Notch-обусловленной индукции IL-22, остается неизвестным, было высказано предположение, что эффект Notch может быть косвенным, способствуя продукции эндогенных лигандов для AhR [56].

Экспрессия IL-22 может быть связана с IL-17 и экспрессируется в клетках TH17 [57], где AhR экспрессируется на высоком уровне [7, 10]. Было высказано предположение, что передача сигналов AhR может способствовать развитию клеток TH17. Важно отметить, что инъекции TCDD или ITE in vivo способствуют развитию регуляторных Т-клеток и уменьшают тяжесть заболевания EAE, но лечение FICZ усугубляет течение заболевания EAE. Хотя FICZ способствует генерации клеток TH17 in vitro, индукция AhR-зависимых клеток TH17 еще не подтверждена официально in vivo. Однако результаты этих исследований привели к идее, что активация AhR разными лигандами может по-разному влиять на дифференцировку CD4+ Т-клеток. Однако эта концепция требует официального подтверждения. Доза лигандов AhR, использованная в различных исследованиях, также может иметь решающее значение для воздействия AhR-лечения аутоиммунных заболеваний. Наконец, новая концепция о том, что клетки TH17 представляют собой гетерогенную популяцию, может помочь понять явно противоречивую роль FICZ в развитии клеток TH17. Клетки TH17, образующиеся в отсутствие TGF-β, являются высокопатогенными и не экспрессируют ни AhR, ни IL-10, в то время как они продуцируют как IFN-γ, так и IL-17. Напротив, TH17, образующийся в присутствии TGF-β (TH17β), экспрессирует как AhR, так и c-Maf, продуцирует IL-10 и является менее патогенным [58]. Действительно, c-Maf способствует экспрессии противовоспалительного цитокина IL-10, экспрессии в TH17 [59] и ингибирует продукцию IL-22 [60], тем самым снижая патогенность клеток TH17. Предполагаемая роль передачи сигналов AhR в разных подтипах дифференцированных TH17 нуждается в формальном рассмотрении.

Заключительные замечания

Точный баланс необходим для поддержания иммунного надзора, но в то же время предотвращения развития аутоиммунитета. Лигандам AhR приписаны ценные иммуномодулирующие свойства, и они могут точно настраивать иммунный ответ. Важность передачи сигналов AhR в кишечном иммунитете и доступность лигандов AhR через прием пищи была подчеркнута в многочисленных недавних публикациях [2, 23–25]. Сигнальные свойства AhR могут быть в дальнейшем использованы в клинической практике не только в области инфектологии, но и в аутоиммунной сфере. Однако перед их внедрением в клиническую практику необходимо решить несколько моментов. Во-первых, необходимо разработать лиганды AhR с безопасными фармакологическими профилями. Действительно, как мы обсуждали ранее, наиболее изученный лиганд AhR TCDD обладает ценными иммуномодулирующими свойствами, но не применим в клинической практике из-за своих фармакологических свойств. Кроме того, необходимо лучше понять влияние различных лигандов AhR на иммунную систему. Например, хотя TCDD и FICZ имеют противоположные эффекты на iFoxp3+ Treg или на клетки TH17, они оба способствуют развитию клеток TR1 или могут индуцировать секрецию IL-22 в зависимости от условий эксперимента. Следовательно, специфичность, фармакология и доза-эффект каждого лиганда необходимо будет тщательно оценивать на различных моделях заболеваний. Наконец, необходимо тщательно контролировать действие лигандов AhR, чтобы избежать чрезмерных ответов. Например, недавно было показано, что эндогенный лиганд AhR кинуренин секретируется опухолями человека через триптофан-2,3-диоксигеназу и способствует образованию Tregs in vivo [61]. Хотя Treg полезны для предотвращения аутоиммунных заболеваний, они рассматриваются как ингибиторы противоопухолевого иммунитета и препятствуют развитию успешной иммунотерапии [62].

В заключение, лиганды AhR являются перспективными соединениями для фармацевтических препаратов. Однако дальнейшие исследования должны быть нацелены на разработку нового поколения лигандов AhR, которые могли бы специфически нацеливаться на различные типы клеток иммунной системы с ограниченными побочными эффектами. Требуются дополнительные исследования, чтобы оценить потенциал нацеливания на AhR для лечения аутоиммунных и воспалительных заболеваний у людей.

Литература→


num-3_color

 АРИЛЬНЫЙ УГЛЕВОДОРОДНЫЙ РЕЦЕПТОР (AhR) – НОВОЕ ОРУЖИЕ ИММУННОЙ СИСТЕМЫ

Арильный углеводородный рецептор (AhR) оказывает защитное воздействие на легкие, ослабляя повреждение легких, вызванное сигаретным дымом

На рисунке 1: Арильный углеводородный рецептор (AhR) оказывает защитное воздействие на легкие, ослабляя повреждение легких, вызванное CS (cigarette smoke – сигаретным дымом). AhR ослабляет взаимосвязанную сеть патогенных механизмов, которые были независимо установлены для того, чтобы способствовать прогрессированию ХОБЛ. Более конкретно, AhR может способствовать ослаблению CS-индуцированного воспаления посредством своей роли в (1) подавлении CS-индуцированной легочной нейтрофилии. Кроме того, AhR может ослаблять индуцированный CS окислительный стресс благодаря своей роли в (2) подавлении индуцированной CS продукции ROS и (3) стимуляции усиления антиоксидантов в ответ на CS. AhR может также защищать от CS-индуцированного разрушения паренхимы легкого благодаря своей способности (4) уменьшать потерю структурных клеток легкого путем стимулирования клеточной пролиферации и ослабления апоптоза, вызванного CS, и клеточного старения. (5) Наконец, AhR может защитить легкие от бактериальных инфекций, которые в противном случае могут вызвать обострения, связанные с ХОБЛ, такие как S. Pneumoniae и P. aeruginosa, путем стимулирования проникновения нейтрофилов. Черные стрелки представляют продвижение, а красные столбцы представляют торможение.

Примечание редактора

Арилуглеводородный рецептор (AhR) уже давно находится в центре внимания фармацевтов и токсикологов, поскольку он распознает экологические токсины. Многое из того, что ранее было известно об AhR, основано на его способности опосредовать вредное воздействие токсического вещества 2,3,7,8-тетрахлордибензо-п-диоксина (TCDD), присутствующего в окружающей среде. Тем не менее, AhR является как повсеместно выраженным, так и эволюционно консервативным, что позволяет предположить, что он эволюционировал для целей, выходящих за рамки строго опосредованной реакции на искусственные токсиканты окружающей среды. Появляется все больше доказательств того, что AhR необходим для поддержания здоровья, поскольку он участвует в физиологических процессах, таких как метаболизм ксенобиотиков, развитие органов и иммунитет. Нарушение регуляции экспрессии и активности AhR также связано с различными болезненными состояниями, особенно с такими состояниями в барьерных органах, как кожа, кишечник и легкие. Легкие особенно уязвимы для вдыхаемых токсических веществ, таких как сигаретный дым. Тем не менее, роль AhR в таких заболеваниях, как хроническая обструктивная болезнь легких (ХОБЛ) - респираторное заболевание, вызываемое преимущественно курением сигарет, - и рак легких остается в значительной степени неизученным. Например, в обзоре от 2018 г. (Necola Guerrina et al. The Aryl Hydrocarbon Receptor and the Maintenance of Lung Health. Int. J. Molecular Sciences 2018, 19(12), 3882) обсуждаться растущее количество литературы, которая предоставляет доказательства того, что AhR защищает легкие от вредного воздействия сигаретного дыма (см. рис. выше).

В данном разделе мы поэтапно покажем историю изучения свойств арилуглеводородного рецептора иследователями из Института биологии инфекций им. Макса Планка.

numroman-1_color

Арильный углеводородный рецептор связывает бактериальные токсины и инициирует их разрушение

По материалам: Stefan H.E. Kaufmann et al. AhR sensing of bacterial pigments orchestrates antibacterial defense. Nature, 13 August 2014

AhR-зондирование бактериальных пигментов организует антибактериальную защиту

2014 г.

Исследователи Макса Планка открыли совершенно новый способ, с помощью которого иммунная система распознает патогенные организмы. Рецептор арильного углеводорода (Aryl hydrocarbon receptor или Ah-рецептор (AhR)рецептор ароматических углеводородов) уже давно находится в центре внимания фармацевтов и токсикологов, поскольку он распознает экологические токсины. Однако он также играет важную роль в иммунной системе. Группа ученых во главе со Штефаном Х. Е. Кауфманом из Института биологии инфекций им. Макса Планка в Берлине обнаружила, что факторы вирулентности бактерий, которые вторглись в организм, также связываются с рецептором арильного углеводорода. В результате активируется врожденный иммунный ответ и факторы сразу же разрушаются. С помощью этого открытия ученые выявили доселе неизвестный компонент иммунной системы: бактериальные факторы вирулентности могут не только нейтрализоваться антителами, но и непосредственно разрушаться.

Контакт между возбудителем туберкулеза и фагоцитами (макрофагами). Тесный контакт между патогеном и защитной клеткой позволяет таким пигментам, как фтиокол, проникать в клетку хозяина. Признание со стороны рецептора арильного углеводорода приводит к быстрой мобилизации защитных мер.До сих пор иммунологи в значительной степени игнорировали возможность того, что иммунная система непосредственно разрушает бактериальные факторы вирулентности. Роль рецептора арильного углеводорода (Ah-рецептора), который экспрессируется во многих клетках, включая иммунные и эпителиальные клетки, поэтому еще более удивительна. До сих пор рецептор был главным образом известен как связующее звено для экологических токсинов, среди которых чрезвычайно вредный TCDD - диоксин (2,3,7,8-Тетрахлородибензодиоксин или ТХДД), который вызывает разрушительное повреждение органов даже в мельчайших концентрациях. Тем не менее, Ah-рецептор встречается в широком диапазоне организмов от нитевидных червей до насекомых и людей. Если он обнаружен в таком большом количестве живых организмов, причина, конечно, не только в признании экологических токсинов, но и в защите от инфекций”, - говорит Педро Моура-Алвес из Института биологии инфекций Макса Планка.

Поэтому исследователи решили идентифицировать бактериальные молекулы с аналогичной структурой в качестве известных партнеров по связыванию арильного углеводородного рецептора. Они нашли то, что искали, в виде бактериальных пигментов, которые, как предполагается, защищают патогенные микроорганизмы, но повреждают организм. Математические модели показали, что как зелено-синие феназины бактерии Pseudomonas aeruginosa, вызывающей внутрибольничные респираторные инфекции, так и желтый нафтохиноновый фтиокол возбудителя туберкулеза Mycobacterium tuberculosis укладываются в связующий карман рецептора.

Эксперименты на мышах затем подтвердили, насколько важен арильный углеводородный рецептор для иммунного ответа. После заражения легочными патогенами у животных, не имеющих этих рецепторов, развиваются более тяжелые симптомы, в легких появляется больше бактерий, и они с большей вероятностью умирают. Очевидно, иммунная система не распознает врага достаточно рано без рецептора арильного углеводорода. "Для патогена факторы бактериальной вирулентности являются одновременно благословением и проклятием: с одной стороны, они облегчают заражение организма хозяина, а с другой - помогают хозяину выследить микроб”, - говорит Кауфман.

Особенность рецептора арильных углеводородов заключается в том, что он непосредственно связывает бактериальные пигменты и затем запускает экспрессию нескольких генов в клеточном ядре, ответственных за разрушение факторов вирулентности. С этой целью он мигрирует извне вглубь ядра, где связывается с ДНК. Таким образом, арильный углеводородный рецептор является рецептором и транскрипционным фактором, объединенным в одно целое, и поэтому может быстро реагировать на инфекцию. В отличие от этого, другие рецепторы иммунной системы должны полагаться на вспомогательные белки, которые передают информацию о патогенах в ядро.

numroman-2_color

Клетки человеческого организма "шпионят" за вредоносными бактериями

Арил-углеводородный рецептор обнаруживает, когда количество бактерий увеличивается настолько, что они становятся опасными для организма

2019 г.

Бактериальная инфекция не приводит автоматически к заболеванию; многие микробы становятся опасными только тогда, когда они появляются в большом количестве. Исследователи из Института инфекционной биологии имени Макса Планка в Берлине обнаружили, что в организме есть рецептор, который не распознает сами бактерии, но следит за их коммуникацией. Организм использует это для регистрации, когда присутствует так много бактерий, что они выделяют вызывающие болезни вещества, известные как факторы вирулентности.

Бактерии рода Pseudomonas под электронным микроскопомВ случае условно-патогенных микроорганизмов в нашей окружающей среде этот критический порог для инфекции особенно высок: только когда они встречаются в очень большом количестве и/или образуют болезнетворные вещества, они могут подавить человека.

Pseudomonas aeruginosa - один из таких микробов. Каждый человек регулярно вступает с этой бактерией в контакт, так как она встречается преимущественно в водопроводных трубах, умывальниках и других подобных местах. Однако большое количество псевдомонад может вызвать серьезные заболевания. Они делают это, образуя болезнетворные вещества, которые позволяют им закрепиться в организме хозяина и вызвать повреждение. Этот микроб может легко вызвать пневмонию, раневые инфекции или бактериемию и отравление крови, особенно у пациентов больниц. Эти заболевания необычайно трудно поддаются лечению, так как бактерия обладает высокой устойчивостью к антибиотикам.

Как микробы решают, когда наступит подходящее время для атаки? Они общаются друг с другом через небольшие молекулы, известные как "молекулы, чувствительные к кворуму". Только когда они достигают достаточной плотности, псевдомонады производят болезнетворные вещества и молекулы слизистой оболочки, которые защищают их от антибиотиков и собственной иммунной системы организма. Это имеет смысл для микробов, потому что до тех пор, пока слизь и факторы вирулентности не нужны, их производство означает только ненужное потребление энергии. С другой стороны, затраты энергии оправданны во время реальной атаки, потому что только тогда они могут успешно заразить хозяина и использовать его в качестве "питательной среды".

Обнаружение связи между бактериями

Стефан Кауфман и его команда исследователей из Института биологии инфекций им. Макса Планка обнаружили, что клетки нашего тела способны обнаруживать связь между бактериями с помощью рецептора, известного как рецептор арильного углеводорода. Этот рецептор обнаруживает молекулы, чувствительные к кворуму, что позволяет клеткам тела обнаруживать, когда бактерии готовятся к атаке. "Благодаря этому шпионажу организм может активировать иммунную систему в случае необходимости, чтобы отразить атаку этих микробов", - объясняет ведущий автор исследования Педро Мура-Алвес, в настоящее время руководитель группы в Институте исследований рака Людвига Оксфордского университета.

На самом деле, рецептор подслушивает бактерии еще до того, как они достигают своего кворума; обнаружение ранних стадий молекул кворума зондирования ингибирует рецептор арильного углеводорода, блокируя преждевременную мобилизацию иммунной защиты. "Это эффективно для хозяина, так как он экономит энергию, чтобы оставить небольшое количество бактерий в покое, при условии, что они не причиняют никакого ущерба. Только когда они достигнут критической массы, энергия, необходимая для защиты, будет собрана”, - говорит Стефан Кауфман. Это также помогает предотвратить сопутствующие повреждения, вызванные реакцией иммунной системы.

Таким образом, наше тело не только распознает, присутствуют ли микробы или нет. Эти недавние результаты показывают, что он также регистрирует, как растет их число, чтобы реагировать на различные стадии инфекции.

numroman-3_color

Дополнение к 2 пункту из журнала Science с иллюстрацией механизма AhR-контроля

Мониторинг состояния кворума хозяина при заражении синегнойной палочкой

Синегно?йная па?лочка (лат. Pseudomonas aeruginosa)

Рис. 4. Pseudomonas aeruginosa - это патоген человека, который может вызывать опасные для жизни заболевания, особенно у людей, имеющих истощенную иммунную систему. Один из способов, которым P. aeruginosa вызывает инфекцию, - это зондирование кворума; тип сигнального пути клетки, который инициирует продукцию факторов вирулентности.


  Структурированный Реферат

По материалам: Stefan H. E. Kaufmann et al. Host monitoring of quorum sensing during Pseudomonas aeruginosa infection. Science; 20 December, 2019

Резюме: Pseudomonas aeruginosa быстро адаптируется к измененным условиям с помощью quorum sensing (QS), системы связи, которую она использует для коллективного изменения своего поведения посредством производства, высвобождения и обнаружения сигнальных молекул. Молекулы QS также могут быть восприняты хозяевами, хотя соответствующие рецепторы и сигнальные пути плохо изучены. Мы описываем паттерн регуляции в организме хозяина с помощью рецептора арильных углеводородов (AhR), который критически зависит от качественного и количественного зондирования P. aeruginosa quorum. Молекулы QS связываются с AhR и отчетливо модулируют его активность. Это отражается при заражении P. aeruginosa, собранной с разных стадий роста, и мутантами QS. Мы предполагаем, что, шпионя за бактериальным кворумом, AhR действует как основной датчик динамики инфекции, способный управлять защитой хозяина в соответствии с статус-кво инфекции.

ВВЕДЕНИЕ

Взаимодействие между бактериальным патогеном и его хозяином можно рассматривать как “гонку вооружений”, в которой каждый участник непрерывно реагирует на эволюционирующие стратегии другого партнера. Механизм, позволяющий бактериям быстро адаптироваться к таким изменяющимся обстоятельствам, обеспечивается зависящей от плотности межклеточной связью, известной как зондирование кворума (QS). QS включает в себя иерархию сигнальных молекул, которая у патогенных бактерий связана с образованием биопленки и регуляцией вирулентности. Примечательно, что некоторые молекулы QS обнаруживаются хозяином, и они могут провоцировать специфические иммунные реакции. Однако рецепторы и их сигнальные пути, которые хозяин использует для «подслушивания» бактерий, остаются плохо изученными.

ОБОСНОВАНИЕ

Мы предположили, что если «датчик» хозяина может обнаруживать и дифференцировать между бактериальными молекулами QS и их паттернами экспрессии, это позволит хозяевам настраивать свои иммунные реакции в соответствии со стадией и состоянием инфекции. Недавно мы показали, что арильный углеводородный рецептор (AhR) непосредственно распознает пигментированные бактериальные факторы вирулентности, такие как феназины, продуцируемые Pseudomonas aeruginosa, которые являются нижестоящими продуктами QS. При связывании феназинов AhR вызывает разнообразные иммунные реакции, которые координируют устойчивость хозяина к инфекции. В результате его способности воспринимать широкий спектр лигандов, мы постулировали, что AhR хозяина хорошо расположен, чтобы шпионить за бактериальными коммуникациями, непрерывно следить за динамикой бактериальной инфекции, и тем самым сигнализировать хозяину, чтобы настроить иммунные реакции в соответствии с состоянием инфекции.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Шпионаж за бактериальными сигналами

Итак, многие бактерии производят небольшие молекулы для мониторинга плотности популяции и таким образом регулируют свое коллективное поведение, этот процесс называется ощущением кворума. Патогены, такие как Pseudomonas aeruginosa, которая осложняет муковисцидоз, продуцируют различные чувствительные к кворуму лиганды на разных стадиях инфекции. Моура-Алвес и др. использовали эксперименты на человеческих клетках, рыбках данио-рерио и мышах, чтобы показать, что организм-хозяин может подслушивать эти бактериальные разговоры. Главный датчик дифференцированно реагирует на бактериальные молекулы, чувствительные к кворуму, чтобы активировать или подавлять различные пути ответа. Способность "прослушивать" бактериальную сигнализацию дает хозяину возможность тонко настраивать физиологически дорогостоящие иммунные реакции (см. рис. 5.).

 Бактериальное сообщение под радиолокатором приемного устройства арильного углерода хозяина (AhR)


Рис. 5. Бактериальное сообщение под "радиолокатором" приемного устройства арильного углерода хозяина (AhR). AhR "шпионит" за бактериальной коммуникацией и переводит бактериальный сигнальный словарь в наиболее подходящие защитные средства хозяина. Экспрессия бактериальных молекул, чувствительных к кворуму, таких как гомосерин-лактоны, хинолоны и феназины, изменяется в зависимости от плотности сообщества и состояния инфекции. AhR может определять тип и количество молекул, чувствительных к кворуму, а следовательно, и состояние инфекции, и таким образом настраивает защиту хозяина.


Наши результаты показали, что инфицированные хозяева демонстрируют дифференциальную модуляцию AhR-сигнализации хозяина в течение инфекции P. aeruginosa в клетках рыбок данио-рерио, мышей и человека. Сигнализация AhR зависела от относительного содержания нескольких классов молекул QS P. aeruginosa, включая гомосерин-лактоны, хинолоны  и феназины. Исследования in vitro и in vivo показали, что AhR не только выявляет  молекулы QS P. aeruginosa в качественном пути но также квантифицируют их относительные содержания. Количественная оценка позволяет хозяину чувствовать плотность бактериального сообщества, которое может иметь различные программы экспрессии генов и динамику инфекции, и тем самым регулировать масштаб и интенсивность защитных механизмов хозяина, которые могут варьировать от индукции воспалительных медиаторов до вербовки иммунных клеток и бактериального клиренса.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Полученные нами данные подчеркивают важную роль AhR хозяина как главного регулятора защитных реакций организма, способного настраивать иммунитет в зависимости от стадии инфекции и заболевания. Подавляя обильные и несущественные иммунные реакции, хозяин может противодействовать некоторым пагубным последствиям инфекции и избегать сопутствующего ущерба. Мы предполагаем, что наблюдение хозяина за бактериальной коммуникацией позволяет не только найти компромисс между затратами энергии и эффективной защитой в организме хозяина, но и найти компромисс между затратами энергии и вирулентностью патогена.

QS не ограничивается P. aeruginosa, и мы постулируем, что мониторинг бактериальных QS хозяевами может быть широко распространенным явлением. Были предприняты различные терапевтические стратегии для манипулирования  QS P. aeruginosa, включая адаптивные схемы лечения пациентов с муковисцидозом, которые серьезно страдают от этого патогена. Более глубокое понимание перекрестных связей между AhR хозяина и бактериальным QS могло бы проложить путь к специфической терапии, направленной на хозяина, для лечения инфекционных заболеваний, адаптированных не только к типу инфекции, но и к конкретной стадии заболевания.

Допинформация на заметку

Модуляция арилуглеводородных рецепторов противотуберкулезными препаратами ослабляет иммунную защиту организма и результаты лечения

Модуляция арилуглеводородных рецепторов противотуберкулезными препаратами ослабляет иммунную защиту организма и результаты лечения

PedroMoura-Alves et al.
Aryl Hydrocarbon Receptor Modulation by Tuberculosis Drugs Impairs Host Defense and Treatment Outcomes
Cell Host  & Microbiome V 27, Issue 2, 12 Feb. 2020, P. 238-248

Основные моменты

  • AhR одновременно обнаруживает микобактериальную инфекцию и лечение туберкулезом.
  • Определение AhR противотуберкулезных препаратов ослабляет защиту хозяина и увеличивает метаболизм лекарств.
  • Ингибирование AhR повышает эффективность рифабутина у рыбок данио, инфицированных M. marinum.

Устойчивость к противомикробным препаратам при туберкулезе (ТБ) - угроза общественному здоровью глобального масштаба, усугубляемая ростом лекарственной устойчивости. Терапия, направленная на хозяина (HDT) - это новая концепция, которая в настоящее время исследуется как дополнительная терапевтическая стратегия для лечения туберкулеза. Одной из потенциальных мишеней-хозяев является активируемый лигандом арилуглеводородный рецептор фактора транскрипции (AhR), который связывает факторы вирулентности ТБ и контролирует антибактериальные реакции. Здесь мы демонстрируем, что в контексте терапии AhR связывает несколько противотуберкулезных препаратов, включая препараты первой линии рифампицин (RIF) и рифабутин (RFB), что приводит к изменению защиты хозяина и метаболизма лекарств. Чувствительность к AhR противотуберкулезных препаратов модулирует защитные механизмы хозяина, заметно ухудшает фагоцитоз и увеличивает метаболизм противотуберкулезных препаратов. Нацеливание на AhR in vivo с помощью низкомолекулярного ингибитора увеличивает эффективность лечения RFB. Таким образом, AhR заметно влияет на исход ТБ, влияя как на защиту организма, так и на метаболизм лекарств. Как следствие, мы предлагаем AhR в качестве потенциальной мишени для HDT при ТБ в дополнение к канонической химиотерапии (подробнее об исследовании см. самостоятекльно по ссылке→).

К разделу:

Будьте здоровы!

 

ССЫЛКИ К РАЗДЕЛУ О ПРЕПАРАТАХ ПРОБИОТИКАХ

  1. ПРОБИОТИКИ
  2. ДОМАШНИЕ ЗАКВАСКИ
  3. БИФИКАРДИО
  4. КОНЦЕНТРАТ БИФИДОБАКТЕРИЙ ЖИДКИЙ
  5. ПРОПИОНИКС
  6. ЙОДПРОПИОНИКС
  7. СЕЛЕНПРОПИОНИКС
  8. МИКРОЭЛЕМЕНТНЫЙ СОСТАВ
  9. ПРОБИОТИКИ С ПНЖК
  10. БИФИДОБАКТЕРИИ
  11. ПРОПИОНОВОКИСЛЫЕ БАКТЕРИИ
  12. ПРОБИОТИКИ И ПРЕБИОТИКИ
  13. СИНБИОТИКИ
  14. РОЛЬ МИКРОБИОМА В ТЕРАПИИ РАКА
  15. АНТИОКСИДАНТНЫЕ СВОЙСТВА
  16. АНТИОКСИДАНТНЫЕ ФЕРМЕНТЫ
  17. АНТИМУТАГЕННАЯ АКТИВНОСТЬ
  18. МИКРОФЛОРА КИШЕЧНОГО ТРАКТА
  19. МИКРОБИОМ ЧЕЛОВЕКА
  20. МИКРОФЛОРА И ФУНКЦИИ МОЗГА
  21. ПРОБИОТИКИ И ХОЛЕСТЕРИН
  22. ПРОБИОТИКИ ПРОТИВ ОЖИРЕНИЯ
  23. МИКРОФЛОРА И САХАРНЫЙ ДИАБЕТ
  24. ПРОБИОТИКИ и ИММУНИТЕТ
  25. МИКРОБИОМ И АУТОИММУННЫЕ БОЛЕЗНИ
  26. ПРОБИОТИКИ и ГРУДНЫЕ ДЕТИ
  27. ПРОБИОТИКИ, БЕРЕМЕННОСТЬ, РОДЫ
  28. ДИСБАКТЕРИОЗ
  29. ВИТАМИННЫЙ СИНТЕЗ
  30. АМИНОКИСЛОТНЫЙ СИНТЕЗ
  31. АНТИМИКРОБНЫЕ СВОЙСТВА
  32. СИНТЕЗ ЛЕТУЧИХ ЖИРНЫХ КИСЛОТ
  33. СИНТЕЗ БАКТЕРИОЦИНОВ
  34. ФУНКЦИОНАЛЬНОЕ ПИТАНИЕ
  35. АЛИМЕНТАРНЫЕ ЗАБОЛЕВАНИЯ
  36. ПРОБИОТИКИ ДЛЯ СПОРТСМЕНОВ
  37. ПРОИЗВОДСТВО ПРОБИОТИКОВ
  38. ЗАКВАСКИ ДЛЯ ПИЩЕВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
  39. НОВОСТИ