Биохимические и молекулярные аспекты симбиоза человека и его микрофлоры

 

1. Введение, постановка проблемы 2. Физиологический смысл симбиоза. Функции микробиоты 2.1. Микробиота как источник тепла 2.2. Трофическая (пищеварительная) функция микробиоты

2.3. Системная роль  микробиоты

2.4. Обеспечение резистентности слизистой оболочки и защиты макроорганизма 3. Микробиота — “своя” или “чужая”? 3.1. Взаимная молекулярная мимикрия 3.2. Эволюционно-экологический аспект взаимоотношений микробиота-организм 4. Клеточные молекулярно-биологические симбиозы 4.1. “Вхождение” и внутриклеточный симбиоз 4.2. Генетические аспекты симбиоза Приложение 1. Приложение 2 ЛИТЕРАТУРА

  

 При изучении микробиоты возникает вопрос, ограничивается ли ее роль и низкомолекулярных метаболитов участием в функционировании эпителия кишечника или же она выходит за эти рамки. 
   Известно, что энергетическая потребность организма травоядных на 50—75% обеспечивается ЛЖК микробного происхождения, которые всасываются в системный кровоток. Более того, установлено, что пропионовая кислота является одним из основных исходных субстратов в глюконеогенезе, а уксусная и масляная кислоты — в липогенезе у жвачных [31, 32]. 
   В организме человека большая часть ЛЖК (>98%) утилизируется эпителием толстого кишечника, так что их концентрация в портальном кровотоке примерно в 500 раз, а в периферической крови в 1000 раз меньше, чем в содержимом кишечника [33]. Рост концентрации некоторых низкомолекулярных метаболитов микробиоты в кровяном русле человека, вероятно, следует отнести к патофизиологическим проявлениям. В частности, при определенных патологиях ЖКТ наблюдается синдром гепатической энцефалопатии, когда на фоне повышенной проницаемости слизистой эпителия, толстой кишки рост концентрации ЛЖК в центральном кровотоке делает гематоэнцефалический барьер проницаемым для токсичных метаболитов, таких как фенолы, аммиак и меркаптаны [34]. 
   Здесь проявляется важная закономерность, характерная для системы микробиота — хозяин. Их отношения в обычном состоянии несомненно носят характер симбиоза. В неблагоприятных условиях, вызванных различными воздействиями на организм (например, стресс) или на микробиоту (массивная антибиотикотерапия), симбиоз может превращаться в отношения взаимной агрессии. При этом оба участника обладают достаточным потенциалом, чтобы нанести друг другу существенный ущерб или “расчистить дорогу” для внедрения в организм настоящих патогенных микроорганизмов. В частности, эпителий может вырабатывать бактериостатические и бактерицидные ферменты (лизоцим, лактоферрин), в него начинают проникать активированные фагоцитирующие клетки (нейтрофилы). В свою очередь, это вызывает ответ в форме активации “ударного” ферментативного аппарата бактерий (нейраминидазы, гиалуронидазы), высвобождение эндотоксина и синтез прочих атрибутов вирулентности. 
   Помимо ЛЖК, в значительной мере восполняющих энергетические затраты клеток эпителия, микробиота поставляет хозяину витамины группы В, в частности, В 12, витамин К и некоторые др. Большое значение для нормального функционирования эпителия и организма в целом имеет также синтез b-аланина, необходимого для получения пантотеновой кислоты (витамин В₃) [35]. Следует отметить также участие микробиоты в рецикле некоторых макро-(железо) и микроэлементов (цинк, кобальт и др.). 
   Далее остановимся на влиянии на метаболизм эукариотических клеток сигнальных молекул бактериального происхождения, действующих посредством мембранных комплексов или входящих в цитоплазму и действующих на внутриклеточные мишени (см. Приложение 1). Ниже при рассмотрении адгезии микробных клеток к эпителию будет показано, что и от клеток эпителия и его микроокружения микробиота получает сигналы, необходимые ей для укоренения в надлежащих экологических нишах. Для восприятия внешних сигналов бактерии располагают специальными генами. Не вызывает сомнений, что адаптация бактерий к существованию в пищеварительном тракте животных и в других экологических нишах — следствие многочисленных мутаций и генных перестроек, закрепленных селекций [36, 37]. 
   В свою очередь, микроорганизмы посылают сигналы клеткам хозяина для обеспечения собственной химической защиты, что можно рассматривать как одно из проявлений антибиоза [3] или аллелопатии [38]. Однако в физиологических условиях организм преобразует эти сигналы для регуляции деятельности своих систем. Один из типов таких сигналов может быть обусловлен модификацией поверхности эукариотических клеток, приводящей к изменениям в интенсивности и направленности метаболизма. 
   По аналогии с механизмом действия стероидных гормонов можно представить механизм возникновения сходных сигналов бактериального происхождения. Стероидные гормоны, будучи небольши гидрофобными молекулами, легко диффундируют через цитоплазматическую мембрану и далее, связываются с цитоплазматическими рецепторами, транспортируются в геном [39]. Нельзя исключить, что подобную роль могут играть структурно близкие к эстрогенам нейтральные и кислые стероиды бактериального происхождения [40], или конъюгированные стероидные гормоны, которые выделяются с желчью [41] и подвергаются вначале действию бактериальных b-глюкоронидаз и сульфатаз [42], а затем вторичному метаболизму. Проникая в клетки, эти соединения могут оказывать влияние на экспрессию генов или изменять характер их действия [43], участвуя тем самым в дифференцировке клеток. При этом нельзя упускать из виду, что одно и то же соединение в  гистологически разных тканях может оказывать разный эффект на одни и те же гены или действовать на разные гены. 
    Вероятно, существуют общие механизмы воздействия микробиоты на организм, основанные на том, что медиаторы, исходящие от микроорганизмов воспринимаются не только поверхностью клеток, но проникают через мембраны и воздействуют на внутриклеточные мишени. Носителями этих сигналов могут быть метаболиты (не только стероидной природы), надмолекулярные фрагменты бактерий, либо сами микроорганизмы, попадающие в цитоплазму клеток-эукариотов. Значение явления вхождения (интернализация) не ограничивается лишь влиянием на метаболизм, но затрагивает более глубокие процессы, в частности, пролиферацию и процессы дифференцировки тканей. 
    Важной иллюстрацией способности микробиоты поставлять хозяину сигнальные молекулы является образование g-аминомасляной кислоты (ГАМК) в реакции декарбоксилирования глутамата. ГАМК является одним из основных тормозных нейромедиаторов. Ранее мы отмечали [20], что имеются данные, позволяющие предположить существование единой системы ГАМК (синтезированной в ГАМК-ергических синапсах центральной нервной системы и микробиотой), управляющей реакциями торможения. Кроме того, бактериальная ГАМК оказывает влияние на моторную деятельность толстой кишки. Снижение ее выработки микробиотой и поступления в нервные ткани толстой кишки приводит, как мы полагаем, к снижению порога болевой чувствительности. Способностью оказывать различные местные и системные эффекты обладают также бактериальные серотонин гистамин, высокие концентрации которых обнаружены в ЖКТ [44]. Вместе с тем, следует отметить, что при нарушении равновесных отношений в системе микробио- хозяин возникает ситуация, когда сигналы микрофлоры начинают играть патофизиологическую роль. Ярким примером в этом отношении может служить инициирование бактериальными токсинами каскадов реакций, ведущих к развитию диареи (с участием аденилатциклазной системы, локализованной в плазтической мембране эпителиальных клеток). Таким образом, приведенные данные показывают, что микробиота дает значительную метаболическую регуляторную поддержку ЖКТ и всему организму. Вместе с тем, изложенными здесь аспектами симбиоза исчерпываются метаболитические функции микробиоты. Достаточно упомянуть, что микрофлора активирует моторную активность толстой кишки [45], поддерживает водный и ионный гомеостаз организма . Функционирование микрофлоры организма человека в норме и при дисбиотических сдвигах микробиоты подробно рассматривается в монографии [47], а также более позднем обзоре [48].

 

1. Введение, постановка проблемы 2. Физиологический смысл симбиоза. Функции микробиоты 2.1. Микробиота как источник тепла 2.2. Трофическая (пищеварительная) функция микробиоты 2.3. Системная роль микробиоты

2.4. Обеспечение  резистентности слизистой оболочки и защиты макроорганизма

3. Микробиота — “своя” или “чужая”? 3.1. Взаимная молекулярная мимикрия 3.2. Эволюционно-экологический аспект взаимоотношений микробиота-организм 4. Клеточные молекулярно-биологические симбиозы 4.1. “Вхождение” и внутриклеточный симбиоз 4.2. Генетические аспекты симбиоза Приложение 1. Приложение 2 ЛИТЕРАТУРА

    

Обеспечение детоксикации токсичных низкомолекулярных метаболитов. Некоторые из описанных выше молекулярных метаболитов обладают токсическими свойствами. Это, в первую очередь, аммиак, некоторые амины, фенолы, Меркаптаны, мутагенные стероиды. Все эти яды в значительной части не попадают в организм, и лишь небольшая их доля оказывается в кровяном русле, а затем детоксицируется печенью. 
    Микрофлора совместно с неперевариваемыми полисахаридами представляют собой своеобразный энтеросорбент с огромной адсорбционной емкостью, поэтому большая часть ядов выносится из организма вместе с кишечным содержимым, даже не вступая в непосредственный контакт со слизистой. Другая часть токсичных метаболитов вовлекается в дальнейший метаболизм и утилизируется микрофлорой для ее нужд. Например, меркаптаны и дисульфиды используются для синтеза важнейших окислительно-восстановительных ферментов анаэробов — ферредоксинов, содержащих железосерные кластеры [14, 49]. Аммиак включается в цикл орнитин-мочевина [44], используется для синтеза глутамина и нейромедиаторов, в первую очередь ГАМК. 
    Эти примеры можно было бы продолжить, но главный вывод очевиден — низкомолекулярные токсины посредством физико-химических и метаболических механизмов не допускаются во внутреннюю среду организма, если микрофлора находится “в порядке” Однако при нарушении нормальных равновесных отношений микробиоты и хозяина возникают сдвиги, которые обычно обозначаются термином “дисбактериоз”. В этом состоянии происходит изменение нормальных отношений между анаэробной и аэробной частями микробиоты, что приводит к возникновению условий для активации аппарата вирулентности микробиоты и становится возможной атака организма инфекционными агентами. 
    Защитный приэпителиальный слой. Микробиоте ЖКТ приписывают функцию защиты организма-хозяина от инфицирования патогенными микроорганизмами. Например, в работе [1] защитную функцию рассматривают как основную функцию микробиоты. Сложилось представление о существовании защитного кишечного слизистого барьера — слоя слизи, секреторного иммуноглобулина А (s-IgА), микрофлоры и ее метаболитов, который покрывает эпителиальные клетки, заполняет пространство между ворсинками и других полостей [50, 51]. 
   Таким образом, защитный слизистый барьер является продуктом совместной деятельности организма и микрофлоры. У разных животных толщина этого слоя варьирует в широких пределах. Состав его также весьма неоднороден, однако химической основой являются полисахариды и гликопротеиды с концевыми отрицательно заряженными остатками углеводов (нейраминовой, глюкуроновой и другими кислотами). Именно слизистый барьер является первым, подчас непреодолимым препятствием для патогенных микроорганизмов, их адгезии к поверхности клеток-мишеней. 
   В слизистом слое постоянно действует и в зависимости от ситуации может дополнительно функционировать многофакторная “эшелонированная” система защиты. Эта система включает в себя как неспецифические факторы (физико-химические — рН, редокс-потенциал, вязкость; химические — низкомолекулярные метаболиты микробиоты), так и специализированные подсистемы защиты, в которых участвуют нейтрофилы и другие фагоцитирующие клетки (в частности, эпителиоциты), s-IgА и т. д. 
   Все это составляет совокупность механизмов, которую в литературе обозначают как “колонизационную резистентность” — способность микробиоты и макроорганизма, кооперативно взаимодействуя, защищать экосистему от патогенной микрофлоры. 
   Физико-химические параметры слизистого барьера. Благодаря метаболическим связям эпителия и микробиоты физико-химические параметры слизистого барьера, в первую очередь, кислотно-основные характеристики, редокс-потенциал, ионный состав, вязкость, имеют практически постоянные значения. Можно постулировать существование на поверхности эпителия некоторой достаточно протяженной зоны с определенными параметрами гомеостаза. Решающими факторами для его поддержания являются отрицательный заряд гликопротеидов и работа ионных насосов (особенно, натриевых насосов апикальных мембран эпителиоцитов). 
   Эта зона имеет восстановительный характер [2], являясь по существу анаэробным участком (Е_h <0). Понятно, что в условиях отрицательного потенциала не могут существовать ни молекулы кислорода, ни его токсичные метаболиты (супероксид-ионы, гидроксильные радикалы, пероксиды). Эта особенность слизистого барьера оказывается универсальной характеристикой, присущей как “анаэробным” отделам организма (толстая кишка), так и другим (кожа, вагина, ротоглотка), где содержание кислорода достаточно высоко. 
    Наличие отрицательного потенциала в достаточно протяженной зоне является, по нашему мнению, основной причиной, определяющей постоянство инфраструктуры резидентной микрофлоры в различных отделах организма. Основу этой инфраструктуры составляют строгие и факультативные анаэробы, причем отношение анаэробной и аэробной популяций примерно 10:1 (в толстой кишке и десневых карманах оно еще выше) [40]. 
   Таким образом, область, непосредственно примыкающая к эпителию, оказывается колонизирована строгими анаэробами, далее располагаются факультативные анаэробы, имеющие аппарат детоксикации метаболитов кислорода, и еще “выше” аэробы. Контактирующие со слизистой анаэробы относятся к непатогенной сахаролитической “травоядной” микрофлоре с высоким метаболическим потенциалом. Поэтому патогенной (часто, аэробной) микрофлоре непросто отвоевать себе экологическую нишу, действуя к тому же в неблагоприятных условиях (отрицательный потенциал, низкие значения рН, наличие метаболитов-репеллентов — ЛЖК, молочная кислота и т. д.). 
    Вместе с тем, среди анаэробной части микро-биоты много и условно-патогенных микроорганизмов, которые в определенных ситуациях могут проявлять свой патогенный потенциал, например, инфекционные хирургические осложнения, вызываемые семейством Bacteroidaceae представители которого интенсивно колонизируют различные покровы организма [52]. 
    Состав и роль газовых метаболитов микробиоты. Водород создает восстановительную среду в просвете кишечника и тем самым участвует в поддержании нормальной инфраструктуры микробного ценоза. Однако чрезмерное понижение окислительно-восстановительного потенциала (ниже—1,5 В) является неблагоприятным фактором, так как при больших отрицательных значениях потенциала перестают функционировать концевые (ферредоксинсодержащие) ферменты редокс-цепей анаэробов [14]. Это в свою очередь может привести к ингибированию метаболической активности последних и развитию дисбиотических нарушений. Чрезмерному сдвигу потенциала в отрицательную область препятствуют метанообразующие бактерии, использующие водород для своего метаболизма [10]:

4Н₂ + СО₂ ->   СН₄ + 2Н₂О

Газы диффундируют через  эпителий в кровоток (диоксид углерода отчасти возвращается в просвет  кишечника благодаря секреции НСО₃^- ионов эпителием в обмен на ионы С1^-). Наличие водорода в местном кровяном русле обеспечивает, как мы полагаем, полноту высвобождения кислорода из гемоглобина эритроцитов. Кишечные газы поглощаются эритроцитами. Известно, что гемоглобин способен связать не только диоксид углерода, но также образовывать нестабильные комплексы с малыми молекулами, такими как метан, ксенон и др. [53]. Газы, транспортированные в легкие, удаляются с выдыхаемым воздухом. 
   Роль водорода в газовом обмене, происходящем в альвеолах легких, до настоящего времени мало изучена. Однако можно полагать, что поскольку окислительно-восстановительный потенциал крови сильно зависит от содержания этого газа, то водород влияет на регуляцию кислородного обмена. 
   Таким образом, газовые метаболиты микробиоты также участвуют в поддержании гомеостаза организма-хозяина на локальном и системном уровнях. 
   Антибактериальные эффекты низкомолекулярных метаболитов микробиоты. В настоящее время установлено, что нормальная резидентная микрофлора посредством низкомолекулярных метаболитов (ЛЖК, молочная кислота и др.), специальных токсинов и антибиотиков, а также антиметаболитов [54] подавляет жизнедеятельность различных патогенных микроорганизмов в кишечнике, родовом тракте и ротоглотке [55—58, 30]. Механизмы ингибирования жизнедеятельности патогенов низкомолекулярными метаболитами изучены еще слабо. Известно, что определенную роль играют как неспецифические механизмы и факторы, например, колонизационная резистентность, понижение рН среды, образование пероксида водорода [59], так и специфические (например, ингибирование адгезии патогенных микроорганизмов к апикальной мембране эпителиоцитов и деструкция клеточной стенки патогенных микроорганизмов [30] ). 
    В заключение приведем интересный пример антибактериального эффекта метаболита, продуцируемого оральной микрофлорой, но воздействующего на кишечные патогенные микроорганизмы. Показано [60], что оральные факультативные анаэробы восстанавливают нитраты до нитритов, которые в желудке при подкислении образуют оксид и диоксид азота, обладающие в определенных концентрациях бактерицидным эффектом по отношению к патогенным микробам, в частности, к патогенным штаммам Е. соlli и Candida albicans. 
   Влияние микробиоты на систему секреторного иммуноглобулина А. Иммуноглобулин А (IgA) синтезируется соответствующими плазмоцитами, поставляется в виде димеров к базальной мембране эпителиоцитов и захватывается ими. В цистернах эндоплазматической сети последних происходит синтез секреторного компонента (гликопротеида — s-компонента) и его соединение с IgА. Образовавшийся в результате s-IgА секретируется по механизму экзоцитоза. 
   Секреторный иммуноглобулин А играет особую роль в обеспечении резистентности слизистой оболочки и организма-хозяина, начиная уже с раннего послеродового периода. Одна из его важнейших функций — блокировка бактериальных клеток. Она приводит к тому, что некоторые микроорганизмы утрачивают способность к колонизации и инвазии эпителия, другие — оказываются подготовленными к поглощению фагоцитами. Принципиально важным является отличие этого типа фагоцитоза от обычного поглощения бактерий, опосредованного иммуноглобулинами класса G, так как он не сопровожу дается включением системы воспалительного отета. Некоторые пищевые и бактериальные антиге способные вызывать аллергию, при блокировке s-IgА теряют свои аллергенные свойства [22]. 
    Роль микробиоты в становлении и функционировании системы s-IgА (а также всей иммунной системы в целом) весьма велика, хотя конкретные механизмы мало изучены. Одним из таких меха мов является, по-видимому, стимуляция и эне обеспечение синтеза s-компонента и секреции s-IgA эпителиальными клетками [30, 61, 62]. 
    Парадоксальная роль эндотоксина. Эндотоксином называют липополисахарид (ЛПС), являющийся интегральным компонентом наружной мембраны отрицательных бактерий [63]. Грамотрицательные микроорганизмы семейства Bacteroidaceae,как главный компонент резидентной анаэробной мнкрофлоры являются основным носителем эндотоксина [64].  
    Высвобождение эндотоксина воспринимается организмом как "очень плохая новость”, и защитные силы оказываются полностью мобилизованными в ответ на проникновение ЛПС во внутреннюю среду (в кровяное русло). Эта реакция, не будучи во-время ограниченной, приводит к глубоким системным нарушениям (некрозам тканей, внутрисосудистому свертыванию крови, тяжелой интоксикации), вызываемым собственными защитными системами организма и завершающимися сепсисом и гибелью организма [63]. Для оценки масштаба возможной угрозы можно привести данные авторов [65], которые установили, что содержание свободных эндотоксинов в фекалиях составляет в среднем 1 мг (это очень большая доза — уже микрограммовые дозы способны вызывать острый токсический ответ), но может доходить до 100 мг. 
    Основной парадокс состоит в том, что эндотоксин, как компонент клеточной стенки, является отнюдь не “наступательным оружием”, а средством защиты бактерий от воздействий среды. Более того, вероятно, существуют физиологические механизмы поступления очень небольших (порядка нанограммов) количеств эндотоксина в кровоток. Всасываясь в толстом кишечнике и поступая в печень, большая его часть в норме элиминируется фагоцитами, но часть проникает в системный кровоток, вызывая ряд физиологических эффектов. 
   К настоящему времени выявлено участие эндотоксинов грамотрицательных представителей микробиоты в стимуляции лимфоидной ткани и эффекторных клеток печени, усилении митогенной активности В- и Т-лимфоцитов, реализации противоопухолевого иммунитета (в частности, секреции фактора некроза опухолей —ТNF), активации системы полиморфноядерных лейкоцитов (нейтрофилов), в физиологических условиях являющихся важными элементами антибактериальной защиты организма. Однако наиболее важная для хозяина функция эндотоксина, по-видимому, заключается в его способности осуществлять противовирусную защиту, в частности, вирусов иммунодефицита человека [63, 66, 67].  
   Адгезия микробных клеток к эпителию. Как мы отмечали выше, адгезия — атрибут не только симбионтов. В природе жизнь большинства, если не всех, макроорганизмов протекает на тех или иных поверхностях [68—70]. Тем не менее, значение адгезии для гомеостаза эндогенной микробиоты стали подчеркивать сравнительно недавно и то в связи с облемами инфекционной патологии [71, 72].  
  Чтобы иметь наилучшие условия обитания и исполнять функцию защиты организма, в частности, обсевать колонизационную резистентность, микробиота значительной своей части должна быть резидентной, а определенные ее виды — обладать способностью адгезии на эпителии. Здесь мы снова сталкиваемся с проявлением противоречивости отношений в системе микробиота-хозяин, так как патогенная микрофлора для реализации своего потенциала вирулентности, как правило, также использует аппарат адгезии, причем сходный в структурном отношении. ( вирулентностью мы здесь понимаем совокупность факторов, позволяющих возбудителю реализовать свой патогенный потенциал).  
   Агезия микроорганизмов облегчает им доступ к необходимым “эндогенным” источникам энергии, поскольку в приэпителиальном слизистом слое происходит пристеночное и мембранное пищеварение [12] и начинается процесс всасывания [13].  
  Посредством адгезионного механизма организм контролировать численность бактерий, не допуская чрезмерной колонизации ими эпителиальных поверхностей. Способность организма влиять на численность адгезированных бактерий имеет очень большое значение в тех случаях, если резидентный вид принадлежит к условно-патогенной микрофлоре и завышенная колонизация может приводить к развитию патологических процессов. Механизмы адгезии весьма разнообразны и включают как неспецифические (физико-химические), так и специфические (лиганд-рецепторные) взаимодействия с участием специальных адгезинов (например, липотейхоевой кислоты). 
   Неспецифические механизмы реализуются на ранних стадиях адгезионного взаимодействия. В частности, для возникновения непосредственного контакта бактериальная клетка и клетка-мишень должны преодолеть электростатическое отталкивание, так как их поверхности обычно несут отрицательный заряд. 
   Несмотря на видовую неоднородность химического строения оболочки эпителия, при физиологических значениях рН концевые олигосахаридные фрагменты всегда отрицательно заряжены. Сходные структуры (лептидогликан, капсульные полисахариды, липотей-хоевые кислоты и пр.) имеют на своей поверхности и бактериальные клетки. Поэтому, чтобы их адгезия стала возможной, необходимо предварительное отщепление отрицательно заряженных фрагментов. Соответствующим ферментным аппаратом (ней-раминидазы, гиалуронидазы) обладают сахаролити-ческие бактерии [73]. 
   С другой стороны, для обеспечения адгезии важна также роль относительно неполярных и гидрофобных соединений, образующихся при метаболизме [74] и обеспечивающих гидрофобные контакты между участниками процесса адгезии [75]. На начальных стадиях адгезионного взаимодействия происходит модификация поверхностей участников, которая является критическим этапом, предшествующим, в частности, развитию иммунных реакций. Некоторые примеры таких модификаций описаны в [76]. 
   К числу важных атрибутов аппарата бактериальной адгезии относятся специальные “устройства” — фимбрии, представляющие собой нитевидные выросты на поверхности бактериальных клеток. От жгутиков, обеспечивающих перемещение бактерий, они отличаются большей численностью (до 50—500 на клетку), гораздо меньшими размерами (0,1—1,5 мкм в длину и 4—10 нм в диаметре) и упорядоченным расположением. Фимбрии образуются бактериями, по крайней мере восьми семейств, из представленных в микробиоте. 
   Наиболее важную роль в адгезионном контакте играют специфические механизмы — лиганд-рецепторные взаимодействия между специальными бактериальными структурами — адгезинами и рецепторами эпителиоцитов. Каждый бактериальный адгезин подходит к клеточному рецептору мишени как “ключ к замку”. Именно в этом проявляется одна из форм приспособления микроорганизмов к клеткам хозяина и наоборот. Следует подчеркнуть, что принципы комплементарности лиганд-рецепторных взаимодействий и взаимной приспособляемости — важнейшие принципы, лежащие в основе взаимоотношений в системах микробиота — хозяин. Поэтому микробы прилипают не к любым клеткам, а только к тем, которые имеют соответствующие рецепторы. Однако следует еще раз отметить, что аппаратом специфической адгезии обладает не только симбионтная микробиота, но и ряд представителей патогенной микрофлоры, находящих на поверхности клеток хозяина соответствующие рецепторы. 
   Такая ситуация представляется на первый взгляд очень странной и является одной из наиболее дискуссионных проблем микроэкологии и медицинской микробиологии. В самом деле, зачем клеткам хозяина создавать на своей мембране локусы, специально предназначенные для прикрепления патогенных бактерий? В этот вопрос была внесена ясность, когда при изучении механизма действия различных микробных токсинов было подмечено, что рецепторы, ранее рассматривавшиеся как специфичные для некоторых токсинов, на самом деле служат клеткам для распознавания других сигнальных макромолекул, в частности, гормонов и ростовых факторов [77]. Более того, между рядом гликопротеидных гормонов и некоторыми токсинами выявилось большое сходство, как в их строении, так и в эффекторных функциях, например, в способности активировать локализованную в плазматической мембране аденилат-циклазу [78]. 
    Рассматривая лиганд-рецепторные взаимодействия в системах хозяин-возбудитель, следует также иметь в виду, что в нормальном состоянии многие рецепторы эпителия экранированы рядом поверхностных структур, поэтому их взаимодействие с лигандными структурами невозможно по чисто пространственным причинам. Однако при нарушении го-меостаза системы организм — микробиота в результате активации аппарата агрессии как организма (например, активация лизоцима), так и микрофлоры (нейраминидазы и др.) возможно удаление экранирующих структур и в этом случае возникают контакты между адгезинами патогенной микрофлоры и рецепторами клеток хозяина. Парадокс этого процесса состоит в том, что защитный аппарат хозяина провоцирует контакт с патогеном. 
   Еще один вариант специфической адгезии связан с возможностью возникновения у бактерий новых структур или механизмов благодаря регуляции их генной активности. Этому могут способствовать такие факторы окружающей среды, как редокс-потенциал, рН, температура, ионная сила, свободные радикалы, метаболиты и др. [62]. Очень часто появление новых свойств у микроорганизмов связано с наличием у них или приобретением вне-хромосомных генетических элементов [37], [79], это относится и к факторам адгезии [71]. 
   Эпителиальные ткани постоянно обновляются. Существует определенное равновесие между слущи-ванием верхних “старых” клеток и их замещением новыми за счет деления стволовых клеток из субэпителиального пласта [28]. В свою очередь, слу-щивание эпителия с налипшими на него бактериями способствует поддержанию гомеостаза. Оказавшись в просвете пищеварительного тракта, бактерии контактной зоны становятся более доступными для действия ферментов других бактериальных популяций и выступают уже в роли пищевых субстратов. 
   Взаимодействия между клетками-мишенями эпителиальных тканей и бактериями не исчерпывают всего многообразия механизмов контакта в микроэкологических системах. Другая часть резидентной микрофлоры обитает в слизистом барьере в виде колоний, слизистая оболочка которых сливается с оболочкой эпителия. В связи с этим важную роль играют взаимодействия между членами данной популяции микробов и межпопуляционные отношения. Они способствуют образованию однородных микробных сообществ, облегчающих им конкурентную борьбу с другими микроорганизмами и создают условия для эффективной передачи генетической информации за счет конъюгации, трансдукции и трансформации. 
   Таким образом, микробиота, используя разнообразные механизмы, обеспечивает как колонизационную резистентность, так и активную защиту организма от патогенных микробов. Вместе с тем, взаимоотношения микробиоты и макроорганизма могут иметь и иной характер, нежели симбиоз. В определенных условиях микробиота может проявлять агрессивность по отношению к хозяину. Однако в норме микробиота служит не только надежным барьером по отношению к инфекционным агентам, но также восполняет многочисленные метаболические, регуляторные функции организма, играя по существу роль дополнительного органа. Что касается защитной функции, то мы рискнем, пожалуй, высказать следующее положение — без дисбактериоза, т. е. серьезных нарушений микробиоты нет инфекционного процесса. Поэтому вопрос о взаимоотношениях микробиоты с иммунной системой хозяина имеет первостепенное значение.

 

1. Введение, постановка проблемы 2. Физиологический смысл симбиоза. Функции микробиоты 2.1. Микробиота как источник тепла 2.2. Трофическая (пищеварительная) функция микробиоты 2.3. Системная роль микробиоты 2.4. Обеспечение резистентности слизистой оболочки и защиты макроорганизма

3. Микробиота — “своя” или “чужая”? 3.1. Взаимная молекулярная  мимикрия

3.2. Эволюционно-экологический аспект взаимоотношений микробиота-организм 4. Клеточные молекулярно-биологические симбиозы 4.1. “Вхождение” и внутриклеточный симбиоз 4.2. Генетические аспекты симбиоза Приложение 1. Приложение 2 ЛИТЕРАТУРА

  

 Итак, почему микробиота млекопитающих не воспринимается организмом как “чужая”, когда и по каким причинам организм начинает ее отторгать и к каким последствиям это может приводить? 
   По мнению Дюбо [80], одна из причин, благодаря которой организм не отторгает микрофлору несмотря на множественные взаимодействия, заключается в ее слабой иммуногенности для хозяина. В основе этого явления может лежать молекулярная мимикрия. Одними из первых на этот феномен обратили внимание Фо и Ли [81, 82], выявившие наличие общих антигенов у одного из штаммов Васtеrоidеs и тканей кишечника мыши. Как следствие, штамм оказался неиммуногенным для мышей. Данные о возможности молекулярной мимикрии были получены также в [83]. 
   Идея молекулярной мимикрии и близкой к ней маскировки эпитопов (антигенных детерминант) оказалась весьма плодотворной, она стала широко использоваться в медицинской микробиологии для объяснения патогенности ряда инвазивных микробов и решения прикладных задач. 
   Одна из структурных причин возникновения молекулярной мимикрии, по-видимому, связана с тем обстоятельством, что концевыми структурами самых разнообразных антигенов эпителиальных и других тканей (тимуса, миокарда, эндотелия сосудов, соединительной ткани и т. д.) являются олигосахаридные фрагменты, имеющие обычно в составе N-ацетилнейраминовую кислоту, N - ацетил глюкоз (галактоз) амин, фукозу. Сходные в структурном отношении олигосахаридные фрагменты часто встречаются у различных антигенов многочисленных представителей микробиоты и патогенной микрофлоры, что приводит к маскировке этих антигенов и помогает микроорганизмам избегать атак со стороны иммунной системы организма [84]. 
    Другая причина, приводящая к мимикрии маскировке, может заключаться в эволюционной сервативности структуры С-концевых фрагментов личных белков, подчас ответственных за поя ние перекрестных иммунологических реакций [85—87]. Примеров подобного рода можно привести дою много. Типичный пример — общие антигены патогенных стрептококков группы А и миозина человека Наличие таких общих антигенов имеет серьезное патофизиологическое значение, приводя к осложнениям в виде ревмокардита и т. д. Другой того же рода — общие антигены М-белка клеточной стенки Streptococcus pyogenes и клеток той оболочки носоглотки мышей [89]. 
    Мимикрия на молекулярном уровне может жаться в разных формах. Очень важное ние молекулярной мимикрии — наличие у кокков групп А, В, С, G и у белка А кокков Fc-рецепторов. Эти рецепторы имеются у лимфоцитов, нейтрофилов и других клеток иммунной системы хозяина и предназначены для связывания иммуноглобулинов через их константный фрагмент (Fc-фрагмент). В частности, фиксация Fc-рецепторами нейтрофилов иммуноглобулинов класса G (IgG) активирует их, стимулирует миграцию и фагоцитирующее действие. В условиях физиологической нормы организма IgG должны фиксироваться на поверхности патогенных микроорганизмов своими вариабельными Fc-фрагментами антител, так что Fc-фрагменты оказываются обращенными в среду и взаимодействуют с Fc-рецепторами нейтрофилов. Это приводит к фагоцитированию бактериальных клеток. Наличие же таких рецепторов у бактерий “переворачивает” молекулу иммуноглобулина, и в результате бактерия оказывается защищена антителами хозяина от фагоцитоза. Это нормальное явление для микробиоты, но у патогенных бактерий становится способом преодоления защитных систем хозяина. 
   Опасным для организма оказывается также наличие у возбудителя рецепторов к b₂-микроглобулину, относящемуся к системе антигенов главного комплекса гистосовместимости (МНС). Этот комплекс гликопротеидных рецепторов на поверхности клеток организма-хозяина позволяет отличать “свои” клетки от “чужих” и ответственен за поддержание клеточного и противоопухолевого иммунитета. Появление рецепторов к b₂-микроглобулину у микрофлоры может привести к нарушениям иммунной регуляции, развитию аутоиммунных заболеваний [90]. 
   Еще одна форма мимикрии (мы называем ее “ложной”) связана с сорбцией тех или иных антигенов (или эпитопов) организма животных на поверхности клеток патогенных бактерий. Примером может служить чумной микроб, легко сорбирующий антигены, вызывающие образование у кроликов и людей ) анти-А-агглютининов [91]. 
  Следует напомнить, что опсонизация микробных клеток секреторным иммуноглобулином А [92] также является одной из распространенных форм молекулярной мимикрии. 
  С другой стороны, наличие у микробиоты антигенов хозяина позволяет ей эффективно сорбировать вирусы и тем самым осуществлять противовирусную защиту. Вероятно, это является основной ричиной возникновения феномена мимикрии. 
   Представления о гетероиммунитете [86, 93] позволяют подойти к рассмотрению проблемы автохтоности микробиоты. Однако только с позиции феномена гетероиммунитета эту проблему решить нельзя, поскольку ряд фактов не поддается интерпретации рамках представлений о мимикрии. Прежде всего радует подчеркнуть, что множество фактов свидетельствует о способности ряда представителей автономной микрофлоры вызывать отчетливый иммунный вет. Существуют данные о “нормальных” антителах [82], которые обладают протективным деиствием. Хорошим подтверждением последнего служит (наличие у Esherichia colli K1 капсульного антигена, Бывающего образование “нормальных” антител к иингококку группы В [94]. 
   С другой стороны, необходимо учитывать, что сами эпителиальные ткани воспринимаются иммунной емой в известной степени как “чужие”, находящиеся за гематотканевым барьером. Это результат появления на клетках эпителия бактериальных генов [96]. Поэтому в кровяном русле всегда встречается определенный (хотя и небольшой) титр антител к эпителию. Очевидно, предварительной сенси-зацией объясняется сравнительная легкость возникновения таких аутоиммунных заболеваний, как специфическнй язвенный колит, при которых собственная эпителиальная ткань является объектом атаки иммунной системы [17]. Чтобы этого не происходило, биологической норме в эпителиальном пласте поддерживается определенный уровень подавления (супрессии) иммунного ответа, в первую очередь, за счет присутствия специальных клеток-регуляторов, так называемых Т-супрессоров. 
   Мы склонны полагать, что отсутствие отторжения микробиоты является результатом взаимной адаптации, приводящей к встречной молекулярной мимикрии и маскировке, т. е. микробиота оказывается не совсем “чужой”, а эпителиальная ткань не совсем “своей” для системы локального иммунитета. Такие отношения между микробиотой и пограничными тканями сформировались и продолжают формироваться в ходе эволюции. 
   По-видимому, организм начинает воспринимать микробиоту как чужеродный орган и отторгает ее, когда под влиянием тех или иных неблагоприятных факторов развивается состояние, которое у клиницистов получило название “дисбактериоз”. К таким факторам могут быть отнесены стресс, сопутствующие заболевания, хирургическое вмешательство, приобретенные или наследуемые нарушения иммунной регуляции, массивное медикаментозное воздействие, влияние неблагоприятных факторов внешней среды (радиация, тяжелые металлы, диоксины и другие ксено-биотики). Дисбактериоз характеризуется глубокими нарушениями в составе и численности микробиоты. Исчезают или резко снижается численность базовых анаэробов (бифидобактерий, бактероидов, лакто-бацилл). Меняется сама инфраструктура микробиоты за счет уменьшения числа анаэробов и роста аэробов (в первую очередь условно-патогенных и патогенных). Результатом всего этого оказывается развитие иммунного ответа организма-хозяина и отторжение микробиоты. Отношения в системе микробиота— хозяин приобретают агрессивный характер. В этих условиях попытки клиницистов выправить положение, прибегая к бактериальным препаратам, обречены на провал. 
   Завершая этот раздел, можно констатировать, что сегодня мы еще мало знаем о молекулярных механизмах, ответственных за подобные дисбиотические сдвиги.

 

1. Введение, постановка проблемы 2. Физиологический смысл симбиоза. Функции микробиоты 2.1. Микробиота как источник тепла 2.2. Трофическая (пищеварительная) функция микробиоты 2.3. Системная роль микробиоты 2.4. Обеспечение резистентности слизистой оболочки и защиты макроорганизма 3. Микробиота — “своя” или “чужая”? 3.1. Взаимная молекулярная мимикрия

3.2. Эволюционно-экологический  аспект взаимоотношений микробиота-организм

4. Клеточные молекулярно-биологические симбиозы 4.1. “Вхождение” и внутриклеточный симбиоз 4.2. Генетические аспекты симбиоза Приложение 1. Приложение 2 ЛИТЕРАТУРА

Становление современной микробиоты происходило на протяжении многих миллионов лет, поэтому эволюцию пищеварительного, респираторного, родового трактов следует рассматривать не изолированно, а как совместную эволюцию их симбиоза с микроорганизмами [5]. Отражением этой коэволюции явились, в частности, безусловная избирательность распределения видового состава микроорганизмов по ходу кишечной трубки, начиная с ротоглотки, и высокая видовая специфичность микробиоты для каждого вида хозяев. Однако, если избирательность распределения микроорганизмов хотя бы приближенно можно увязать с анатомо-физиологическими особенностями животных, то второе явление объяснить труднее. Действительно, почему лактобациллы желудка крысы прикрепляются только к эпителию крыс, а изоляты от цыплят — только к клеткам цыплят [96] или почему мышиный штамм Bacteroides не вызывает образования антител у мышей, но иммуногенен для овец? Вероятно, это связано с явлениями молекулярной мимикрии и взаимного “антигенного сближения”, однако определенный ответ сегодня едва ли возможно дать. 
    Так или иначе, но в процессе коэволюции установились симбионтные отношения между микробиотой и организмом млекопитающих. Хозяин “опекает” микробиоту, которая по существу стала одним из его органов, а микробиота вырабатывает нужные мета-болиты и защищает хозяина от внедрения патоген-ных микроорганизмов. Такие взаимоотношения реализуются в нормальных физиологических условиях, но возможна и другая ситуация, когда симбионты автономизируются друг от друга или даже вступают в конкурентные антагонистические отношения. Например, бактероиды, в норме снабжающие хозяина важными метаболитами и коферментами, могут в определенных условиях оказаться основным этиологическим фактором септических осложнений [97], Выше мы указывали, что микроорганизмы заселяют все или почти все отделы пищеварительного тракта, хотя их распределение и численность весьма неоднородны и определяются типом питания, химическим составом пищевых субстратов, а также ана-томо-физиологическими особенностями системы пищеварения [1, 40, 42, 98, 99]. Вместе с тем, морфология желудка и кишечника определяется не только составом пищи, но и характером взаимоотношений между организмом-хозяином и микробиотой, сложившихся в ходе их коэволюции. 
   Расселяясь по различным отделам пищеварительного тракта, микроорганизмы занимают экологические ниши, которые больше соответствуют их питательным потребностям и позволяют им не только избежать конкуренции за пищевые ресурсы или свести ее к минимуму, но напротив, вступать в симбионтные отношения, обмениваясь метаболитами и сигнальными молекулами. В противном случае, сосуществование огромного числа видов микроорганизмов в сравнительно ограниченном пространстве было бы вряд ли возможным и фактически произошло бы то, что экологи называют конкурентным исключением”. Такие взаимоотношения развиваются у близкородственных видов или видов с очень сходными пищевыми потребностями. 
  Более того, попадание микроорганизма в чужую нишу приводит к негативному ответу хозяина и завершается либо выселением бактерий из “запретной зоны”, или к развитию патологии у хозяина, если с чужеродным микроорганизмом не справится резидентная для данного биотопа микрофлора и система местного иммунитета. Примером неправильного расселения микрофлоры может служить гиперколониза-ция микробиотой тонкого кишечника, численность которой в норме в этом биотопе обычно низка по сравнению с толстой кишкой [100]. 
   Характер расселения микроорганизмов зависит не только от физиологических особенностей, но и от морфологического строения клеток. В толстой кишке моторная активность, скорость прохождения содержимого и количество воды ниже и поэтому в ней превалируют “оседлые” виды микробиоты. Концентрированно подвижных видов бактерий, относящихся, например, к Spirochaetales [101], происходит преимущественно в различных отделах тонкого кишечника, для которого характерна высокая перистальтическая активность (моторная активность), что приводит к сравнительно высокой скорости прохождения содержимого. Если бы не активная подвижность микроорганизмов, они бы быстро удалялись из кишечника. В то же время гибкость структуры бактериальных клеток помогает им легко лавировать в слое слизи, покрывающем поверхность эпителия. Противодействие вымыванию бактерий из организма достигается также за счет адгезии. 
   В выборе бактериями экологической ниши очень важна способность некоторых из них к различным формам перемещения — таксиса, присущим подвижным видам микроорганизмов. Такие виды снабжены специальными локомоторными устройствами—жгутиками, флагеллами и т. д. Аттрактантами или ре-пеллентами для них могут служить разнообразные физико-химические факторы (свет, гравитационное поле, органические соединения, кислород, диоксид углерода и т. д.). Ниже мы рассмотрим данные, относящиеся к хемо- и аэротаксису бактерий [102]. 
   Реакции бактерий на аттрактанты реализуются с помощью специфических рецепторов. Например, для выработки ответа на воздействие аминокислот или Сахаров у Е. со11 на цитоплазматической мембране есть специальные структуры. Сигнал, полученный рецептором, передается на локомоторный аппарат, приводящий бактерию в движение. Химический аспект передачи этого сигнала состоит в метилировании или деметилировании соответствующих метилакцептирующих белков. Их деметилирование приводит к перемещению бактерии к участку с градиентом концентрации аттрактанта (“адаптация”), а метилирование — прекращает движение [103]. 
   Рецептором, чувствительным к кислороду, для кишечной палочки служит цитохром о, а у Bacillus cereus— терминальная оксидаза цитохром а-а₃. Создаваемый редокс-потенциал преобразуется в трансмембранный градиент [Н⁺] и обеспечивает работу флагелл — “протономоторов”. В анаэробных условиях в качестве окислителя могут выступать нитрат-ион, триметиламиноксид или даже фумарат-ион [104]. 
    Кроме того, сами бактерии вырабатывают аттрактанты, вызывающие хемотаксис профессиональных фагоцитов. Многие аттрактанты микробного происхождения представляют собой короткие пептиды, имеющие на N-конце остаток ацетилированного метио-нина [105]. Подобные аттрактанты обнаружены у факультативных и облигатных внутриклеточных патогенных микроорганизмов. Можно предполагать, что эти аттрактанты играют определенную роль в поддержке облигатной микрофлорой восстановления эпителиальных пластов при их повреждениях, помогая перемещаться эпителиоцитам. 
    Помимо аттрактантов, бактерии продуцируют также репелленты, помогающие им избегать фагоцитоза. Примером такого репеллента может служить токсин холерного вибриона, подавляющий хемотаксис макрофагов [106]. 
   Можно предположить также, что существуют аттрактанты и репелленты, которые помогают многий представителям микрофлоры, даже не способным к активным перемещениям, конкурировать с другими видами. К их числу мы относим как простые метаболиты (ЛЖК, молочная кислота), так и более-сложные — бактериоцины, микроцины, антибиотия [107]. В частности, некоторые микроцины, хотя бы по наличию N-формилметионильного остатка, (и напоминают пептидные аттрактанты. То, что химикая сигнализация помогает бактериям распознав друг друга, подтверждается, по нашему мнению ролью феромонов в конъюгации стептококков [108].