β-Дефензины: возделывание микробиома для гомеостаза и здоровья

Разнообразные сообщества микроорганизмов-сожителей в настоящее время рассматриваются как ключ к физиологическому гомеостазу и защите от болезней. Хотя бактерии являются наиболее многочисленным компонентом микробиомов и наиболее интенсивно изучаются, микробиом также состоит из вирусных, грибковых, архейных и простейших сообществ, о которых известно сравнительно мало.

Хозяин-защитные пептиды (HDP), первоначально описанные как антимикробные, теперь приобретают новое значение как хранители повсеместной микробной нагрузки, необходимой для поддержания гомеостаза и управления разнообразием микробиома. Использование биологии HDP для перехода от неселективных, опосредованных антибиотиками методов лечения для элиминации микробов является новой парадигмой, особенно в ветеринарной медицине. Одно семейство эволюционно консервативных HDP — β-дефензины, которые вырабатываются в различных комбинациях эпителиальными и иммунными клеточными популяциями, — представляют собой многофункциональные катионные пептиды, которые управляют взаимодействием между хозяином и микробами и поддерживают здоровое, но динамичное равновесие в слизистых системах. Таким образом, они являются ключевыми привратниками для тканей полости рта, дыхательных путей, репродуктивной и кишечной систем, предотвращая связанное с патогенами воспаление и заболевание и поддерживая физиологическую норму. Расширение числа генов, кодирующих эти естественные антибиотики, было описано в геномах некоторых видов, функциональное значение которого было оценено лишь недавно. Экспрессия β-дефензинов была документирована до рождения, и нарушения в их регуляции могут играть роль в неадаптивном неонатальном иммунном программировании, тем самым способствуя последующей восприимчивости к заболеваниям. Здесь мы рассматриваем недавние данные, подтверждающие критическую роль β-дефензинов как возделывателей повсеместных и сложных прокариотических экосистем, занимающих все поверхности тела и полости. Мы также делимся некоторыми новыми перспективами относительно роли β-дефензинов как сенсоров гомеостаза и иммунного авангарда, особенно в местах иммунологической привилегии, где воспаление ослаблено.

Дефензины — это небольшие катионные пептиды, присутствующие у широкого круга видов животного и растительного царств. Характеризуясь консервативным сигнатурным мотивом из шести цистеинов, выделены три подкласса дефензинов: α, β и θ (1). α-дефензины возникли из β-дефензинов у некоторых млекопитающих (2), а характер связывания между тремя парами внутримолекулярных дисульфидных связей, образуемых шестью цистеинами, структурно разделяет оба класса (3, 4). Большое число функциональных α-дефензинов описано в геноме лошади (3, 5), которые, что удивительно, учитывая короткую эволюционную дистанцию, не сохранились у большинства парнокопытных (6), включая крупный рогатый скот (7). Аналогично, у птиц обнаружены только гены β-дефензинов (8), и гены β-дефензинов идентифицированы во всех геномах позвоночных, секвенированных на сегодняшний день, что указывает на происхождение этого семейства генов очень рано в эволюции млекопитающих (9). θ-дефензины — недавно приобретенный, специфичный для приматов класс пептидов, который образуется путем слияния α- и β-классов дефензинов (10). Однако β-дефензины на сегодняшний день изучены наиболее extensively. В линии млекопитающих множественные события дупликации генов и последующая диверсификация последовательностей привели к образованию большого семейства пептидов β-дефензинов с разнообразной аминокислотной последовательностью и практически идентичными третичными структурами, основанными на этих характерных внутримолекулярных дисульфидных связях (11). Эти пептиды наиболее многочисленны среди позвоночных и являются предметом настоящего обзора.

β-дефензины обычно транслируются с характерных двухэкзонных геновых структур, первый из которых кодирует пре-про-пептид, тогда как зрелый пептид кодируется вторым экзоном, содержащим мотив из шести цистеинов (12). Недавнее секвенирование многих других геномов позвоночных облегчило применение подхода сравнительной геномики для характеристики репертуара генов β-дефензинов, и были идентифицированы видеспецифичные клады. Текущие оценки числа генов β-дефензинов варьируют от 14 у курицы до 29 у свиней, 38 у собаки, 33 у шимпанзе и 48 у мышей и человека (8, 13–15), хотя окончательные числа будут меняться по мере корректной аннотации все большего числа геномов и точной регистрации вариации числа копий (CNV). Сравнительные иммунологические анализы также идентифицировали специфические аминокислотные сайты под положительным отбором, что, вероятно, движет дополнительную функциональную дивергенцию между видами. Отсутствие классической α-спиральной области у всех бычьих β-дефензинов свидетельствует о дивергенции механизмов действия, что могло способствовать экспансии, выявленной в кладе жвачных (16). Последствия очевидной утраты α-дефензинов из геномов некоторых сельскохозяйственных видов и экспансии семейства β-дефензинов видеспецифичным образом становятся очевидными лишь сейчас и потенциально могут быть использованы для улучшения здоровья животных (17).

С функциональной точки зрения характеристика генов и пептидов β-дефензинов была по существу ограничена модельными организмами, включая мышей, крыс и человека. Специфические геномные экспансии, обнаруженные у немодельных видов организмов, идентифицированные благодаря технологическим достижениям в сочетании с недавно улучшенными сборками геномов, были описаны, но на сегодняшний день плохо охарактеризованы. Функциональная характеристика у немодельных видов может пролить значительный свет на селективные давления, которые двигали динамические изменения в содержании генов между видами, и подчеркнуть многофункциональный потенциал, который β-дефензины могут нести для разработки новых методов контроля инфекции. Здесь мы выстраиваем аргументацию в пользу тесной связи между репертуаром β-дефензинов и разнообразием микрофлоры на слизистых поверхностях тела. Учитывая постоянную потребность в надлежащем культивировании микробиома и предотвращении связанной с воспалением патологии, вполне вероятно, что арсенал хозяин-защитных пептидов в целом и репертуар пептидов β-дефензинов в частности представляют собой полезные инструменты для поддержания здоровья и снижения бремени инфекционных заболеваний у сельскохозяйственных видов.

β-дефензины традиционно рассматривались как исключительно антимикробные молекулы, поскольку их индукция в ответ на разнообразные бактериальные, вирусные, паразитарные и грибковые инфекции широко сообщалась (18–20). Как небольшие катионные пептиды, β-дефензины преимущественно притягиваются к отрицательно заряженным внешним мембранам бактерий, с сообщаемой эффективностью против грамположительных и грамотрицательных бактерий, грибов и оболочечных вирусов (21). Антимикробное действие опосредуется несколькими механизмами, включая агрегацию, образование пор, вмешательство в синтез клеточной стенки и деполяризацию прокариотической мембраны (22). Амфипатическая природа дефензинов позволяет им встраиваться в фосфолипидную мембрану патогенов, тем самым разрушая целостность клеточной стенки (10). Хотя многие исследования in vitro подтвердили антимикробную роль нескольких дефензинов, лишь ограниченное число исследований проверило их роль в защите in vivo. Мышиные дефензин 1 (DEFb1) с нокаутом Defb1 демонстрировали задержанную элиминацию бактерий из легких (23) и повышенную стафилококковую инфекцию в мочевом пузыре (24). Экспрессия свиного β-дефензина 1 (pBD1), ортолога человеческого β-дефензина 2, введенная во время заражения, обеспечивала защиту против Bordetella pertussis у новорожденных поросят (25).

Интересное наблюдение, полученное в результате изучения безмикробных мышей, заключалось в продукции предшественников β-дефензинов в отсутствие инфекции (26). Концепция безмикробного животного была признана более века назад Луи Пастером, хотя он также проявил дальновидность, предсказав, что существование без бактерий невозможно (27). Получение истинно аксеничных мышей требует, чтобы детеныши оставались стерильными в матке, и, учитывая то, что мы теперь знаем о микробиотическом праймировании в утробе (28), эти животные вряд ли стерильны.

По мере emergence дополнительных функций β-дефензинов (29) была принята более широкая интерпретация этих молекул, что привело к термину хозяин-защитный пептид (HDP) (30, 31). В исследованиях с использованием эмбриональных клеток почек, сконструированных для экспрессии различных TLR, опосредованная человеческим β-дефензином-3 (hBD3) активация транскрипционного фактора NFκB зависела от экспрессии как TLR1, так и TLR2 (32), демонстрируя, что сигнализация TLR не ограничивается распознаванием микробных молекулярных паттернов, но также может инициироваться эндогенными пептидами дефензинов (33). β-дефензины также служат связующим звеном между врожденным и адаптивным иммунными ответами — hBD3 может быстро проникать в стимулированные TLR4 макрофаги и ослаблять экспрессию провоспалительных генов (34). Они также индуцируют экспрессию костимулирующих молекул на моноцитах и миелоидных дендритных клетках TLR-зависимым образом, действуя как хемоаттрактанты для T-лимфоцитов и незрелых дендритных клеток (35). По-видимому, в ходе эволюции большинство изученных β-дефензинов приобрели дополнительные роли (процесс, известный как неофункционализация), сохраняя при этом свою исходную защитную роль (14). Сейчас становится ясно, что антимикробные и иммуномодулирующие функции пептидов β-дефензинов не являются взаимоисключающими, и поэтому логично не compartmentalize их функции в том или другом, а рассматривать их многофункциональность как эволюционную работу в процессе, как критические элементы с несколькими ролями в сложной функции защиты от болезней. Важно, что именно их мультимодальное действие (Таблица 1) позволило β-дефензинам сохранить свою potency против инфекционных агентов на протяжении всей эволюции (66). Именно их повсеместность экспрессии на слизистых поверхностях позволяет рассматривать их как фундаментальных игроков и стражей гомеостаза и здоровья.

Таблица 1  Каталог отдельных эффекторных механизмов, документированных для хозяин-защитных пептидов β-дефензинов.

Число микроорганизмов на всей открытой слизистой поверхности млекопитающих на порядки превышает число эукариотических клеток хозяина, что указывает на необходимость постоянного мониторинга и управления разнообразием и потоком микрофлоры для предотвращения системной колонизации и патологии. Однако микробные инфекции на самом деле являются исключением в целом гармоничном сосуществовании животных с огромным числом непатогенных микроорганизмов (67). Эта гармония существует благодаря многим механизмам, включая:

1.       Секрецию слизи клетками, выстилающими слизистую, которая снижает прямой контакт между экзогенными антигенами, особенно от потенциальных патогенов;

2.       Секрецию гликозилированных антител, известных как иммуноглобулин A (IgA), обнаруживаемых в молозиве и всасываемых через кишечник новорожденного в короткий период после рождения, и

3.       Продукцию HDP (68), включая β-дефензины, преимущественно на эпителиальных поверхностях. Комменсальные бактерии, которые преодолевают эпителий, обычно фагоцитируются макрофагами в течение нескольких часов, но некоторые исследования показали, что они могут находиться в дендритных клетках (DC) в течение нескольких дней (69).

Анализ сложности микробиома по тканям и между дивергентными видами выходит за рамки настоящего обзора. Вместо этого мы сосредотачиваемся на доказательствах, подтверждающих роль β-дефензинов в модуляции взаимодействия хозяина с комменсалами и том, как изменения их экспрессии способствуют заболеванию. Все новорожденные млекопитающие разделяют общую траекторию немедленного воздействия обилия микробов в богатой питательными веществами среде после рождения, что приводит к колонизации всех слизистых поверхностей. Хотя возрастные изменения в развитии микробиома плохо определены у сельскохозяйственных видов, данные человека и мышей показывают, что ранние неонатальные стадии характеризуются высокими композиционными изменениями, которые в конечном итоге стабилизируются до core characteristic microbiome (70). Также сообщается о значительной межиндивидуальной вариации, которая, как мы утверждаем, вероятно, способствует значительной вариации фенотипической продуктивности по признакам у сельскохозяйственных животных. Хотя основное внимание на сегодняшний день было сосредоточено на кишечном микробиоме, комменсальные популяции микробов обнаруживаются во всех слизистых сайтах, а также на коже. Сейчас становится ясно, что микробиом препятствует патогенам как через межвидовую микробную конкуренцию, так и через стимуляцию иммунитета хозяина (71). Мы утверждаем, что эволюционно консервативные, многофункциональные β-дефензины удерживают баланс сил в возделывании микробиома, тем самым регулируя взаимодействие хозяина с прокариотами и определяя успех, с которым их эукариотические субъекты могут защищаться от оппортунистических болезнетворных патогенов.

Для неонатального эукариота появиться иммунологически наивным в мир было бы рискованной эволюционной стратегией, особенно для сельскохозяйственных животных, где плотность животных и бактериальная нагрузка могут быть высокими (72). Хотя гипотеза стерильности при рождении принималась годами без опровержения, новые данные исследований человека и мышей теперь указывают на то, что микробное обучение неонатальной иммунной системы начинается до рождения через установление комменсальных микробных популяций в утробе (28). Их источник, сложности их передачи в матку и механизмы, регулирующие их пролиферацию в богатой питательными веществами среде новорожденного, еще предстоит установить. У человека бактерии, происходящие из материнского кишечника, были обнаружены в пуповинной крови, амниотической жидкости, меконии и плодных оболочках без признаков инфекции или воспаления (73). Кроме того, недавнее исследование на крупном рогатом скоте даже постулировало, что эти комменсалы могут происходить из крови (74). Предполагается, что это пренатальное знакомство с микробными лигандами (называемое иммунообразованием) критически важно для адаптивного праймирования иммунной системы и теперь формирует краеугольный камень гипотезы Developmental Programming and Fetal Onset of Adult Disease (FOAD) (75). Эта гипотеза утверждает, что отсутствие надлежащего иммунообразования в раннем детстве может привести к дерегулированным иммунным ответам и развитию заболевания в более поздней жизни. Критические последствия этих находок для разведения сельскохозяйственных животных еще всерьез не рассматривались.

Окружающая среда во время беременности считается средой иммунологической привилегии, где введение некоторых чужеродных антигенов отцовского происхождения tolerates без вызова воспалительного иммунного ответа (76). Иммунная привилегия — это не просто отсутствие профессиональных иммунных клеток, но включает иммунные и неиммунные клетки, действующие синергически для создания уникальной толеорогенной среды. Во время нормальной беременности плод растет и развивается в такой среде, при этом, что важно, матка и материнско-плодный интерфейс сохраняют внутреннюю способность быстро и эффективно реагировать на иммунологический вызов. Считается, что представляет собой эволюционную стратегию предотвращения гипервоспалительного ответа сразу после рождения, иммунная система новорожденного существует в состоянии воспалительной анергии. Предродовая среда иммунологической привилегии в сочетании с воспалительной анергией и незрелой адаптивной иммунной системой непосредственно после родов требует мощной врожденной иммунной системы для защиты от воспаления и болезни. Мы утверждаем, что эта потребность удовлетворяется экспрессией многофункционального набора HDP, включая β-дефензины.

Эндотелиальные клетки пупочной вены продуцируют DEFB1, DEFB4 и TAP (77), и дополнительная экспрессия генов β-дефензинов была описана в самих бычьих эмбрионах — с экспрессией DEFB103B на стадии 8 клеток и DEFB123 на стадии 16 клеток (78). Первоначально предполагалось, что экспрессия β-дефензинов в «стерильной» среде эмбриона указывает на то, что эти гены могут играть роль в развитии. Однако в свете доказательств, поддерживающих гипотезу FOAD, вполне вероятно, что эмбриональная экспрессия β-дефензинов может играть важную роль в регуляции материнско-производного микробиома во время развития. Экспрессия β-дефензинов также была документирована во время развития эмбриона у овец (79), где, что любопытно, экспрессия достигала максимума непосредственно перед рождением и не продолжала расти в непосредственный постнатальный период, когда иммунологический вызов, вероятно, наиболее высок. Хотя в линии курицы обнаружено ограниченное число генов β-дефензинов, изменения экспрессии этих генов в ходе развития in ovo также сообщались (80). В птицеводстве уже известно, что некоторые бактерии могут проникать через скорлупу (81), поэтому нет причин думать, что некоторые комменсалы не могут делать то же самое. Также возможно, что репертуар β-дефензинов, индуцированных материнско-производными пренатальными комменсалами, отличается от набора, индуцированного постнатально микробами окружающей среды, добавляя еще один интригующий слой к защитным функциям и потенциальной функциональной комплементарности этих молекул.

Хотя низкий уровень конститутивной экспрессии связан с регуляцией роста комменсальных бактерий, повышенная экспрессия может означать присутствие патогенов. Человеческий ортолог бычьего гена, показанного ранее экспрессирующимся в эмбрионе (DEFB103), был повышен в воспаленных плодных оболочках (82), указывая на защитную роль во время эмбрионального развития. Аналогично, повышенный hBD2 во время амниоцентеза положительно ассоциировался с повышенной вероятностью преждевременных родов (83). Вирус папилломы человека также, как было показано, повышает экспрессию β-дефензинов амниотическими эпителиальными клетками (84), намекая на интегральную повсеместную защитную роль этих молекул во время беременности. В дополнение к пренатальному микробиому, прокариотическое «пополнение» происходит через инокуляцию из родового канала во время процесса родов. Интересно, что там, где этого не происходит, как при кесаревом сечении, могут возникнуть вредные изменения здоровья (85). Хотя это не распространено у сельскохозяйственных животных, частота кесарева сечения растет у крупного рогатого скота, некоторые из которых связаны с худшими клиническими исходами, особенно в полевых условиях (86).

Сразу после рождения новорожденный покрыт vernix caseosa, кремовым биопленочным слоем, который развивается на коже плода к концу беременности (87). Хотя у сельскохозяйственных видов это не изучалось, vernix у человека включает множество HDP, включая дефензины (88), что облегчает внеутробную адаптацию кожи. В отличие от человека, большинство млекопитающих не только едят плодные оболочки, но и extensively вылизывают свое потомство после рождения, что, возможно, распространяет защитный эффект vernix по вновь открытому новорожденному. Уместно, что искусственно выращенные телята часто удаляются от своих матерей рано после родов и тем самым лишаются этих потенциально защитных действий, но последствия для их развивающегося иммунитета ранее не рассматривались.

Дополнительные микробы получаются из вымени или из пищи, преимущественно молока в ранний постнатальный период (см. микробиом молочной железы далее). β-дефензин-2 (HBD2) экспрессируется в человеческом грудном молоке и был обнаружен значительно более высоким в образцах молозива (89). То же исследование показало, что рекомбинантный пептид BD2 был эффективен против как Salmonella, так и E. coli. Core microbiome также был определен в бычьем молозиве, и различия в популяциях документированы в молоке между первородящими и многородящими коровами (90). Эта находка свидетельствует о том, что телята, рожденные от многородящих коров, могут получать различную стартовую культуру колонизации, которая может дифференциально влиять как на развитие их кишечного микробиома, так и на профиль экспрессии β-дефензинов и потенциально на их последующую восприимчивость к заболеваниям (91).

Неонатальная полость рта является первой точкой контакта с антигенами, происходящими из пищи, и начальные культуры колонизации происходят из молока. В отличие от сельскохозяйственных видов, микробиом полости рта человека определен (92). Один протеомный анализ идентифицировал более 3 700 человеческих и 2 000 микробных белков в образцах человеческой слюны (93). С более чем 1 000 идентифицированных на сегодняшний день видов бактерий состав и активность этой экосистемы, как считается, имеют огромное значение для здоровья и болезней полости рта (94). Было показано, что β-дефензины extensively экспрессируются в полости рта у множества видов. У человека HDP extensively продуцируются эпителиальными клетками, выстилающими полость рта, и называются стражами полости рта (95). Экспрессия β-дефензина 1 и 2 также была документирована в биопсиях, взятых из слюнной железы человека (96). У крыс ортологичные гены (RBD-1 и -2) были локализованы в ацинарных и исчерченных протоковых клетках основных слюнных желез, и экспрессия также была показана как отвечающая на бактериальный эндотоксин, LPS (97).

Слюна является ключом к поддержанию гомеостаза в полости рта, и крупный рогатый скот производит более 100 л в день (98). Тот факт, что большинство сельскохозяйственных животных не развивают пищеварительные заболевания рутинно в такой высокоантигенной среде, особенно в контексте интенсивного животноводства, показывает, насколько robust должны быть механизмы защиты полости рта. Учитывая исследования на человеке, упомянутые выше, вполне вероятно, что белки слюны играют огромную роль в гомеостазе полости рта и кишечника. Недавний анализ с использованием трех различных подходов идентифицировал 402 белка слюны и 45 N-связанных гликопротеинов в бычьей слюне, включая множество HDP (99). Кроме того, как прямое следствие процессов вылизывания и сосания между матерью и теленком в естественных условиях выращивания, этот обширный протеом слюны будет иметь важные последствия для здоровья новорожденных.

Значительная доля молодых телят искусственно выращивается на заменителях молока или на отходном молоке, часто от маститных коров, молоко которых непригодно для потребления человеком. Такое отходное молоко, как известно, содержит высокие уровни патогенных бактерий, включая устойчивые к антибиотикам E. coli, хотя исследования утверждали, что его использование в качестве корма для телят не влияет на здоровье (диарея) или продукционные параметры (100). Однако влияние на микробиом и на иммунитет в ЖКТ не изучалось.

Вдыхание является основным путем передачи болезней у человеческих и сельскохозяйственных популяций, и микробиом легких теперь хорошо охарактеризован как в здоровье, так и в болезни (101, 102). Респираторный микробиом имеет критическое значение у сельскохозяйственных видов, поскольку респираторные заболевания, вызванные инфекцией, являются основной причиной потерь, нарушенного благополучия животных и заболеваемости. Пневмония — серьезное респираторное заболевание, вызываемое бактериями, и в результате особое внимание было уделено характеристике верхних дыхательных путей при респираторных заболеваниях у множества сельскохозяйственных видов (103–105). Изменения, вызванные стрессом (например, транспортировкой), в назофарингеальной микробиоте также были implicated как способствующий фактор восприимчивости к заболеваниям (106, 107).

Трахеальный антимикробный пептид (TAP) был одним из первых β-дефензиновых HDP, охарактеризованных в бычьих эпителиальных клетках легких (108). TAP в настоящее время extensively исследуется на предмет его потенциальной роли в устойчивости к Mycoplasma bovis (109), еще одному major contributor к бычьему респираторному заболеванию. Исследования с использованием гомозиготных mBD-1-дефицитных мышей показали, что потеря mBD-1 приводит к значительно задержанной элиминации Haemophilus influenzae из легких, обеспечивая прямую связь между экспрессией β-дефензинов и легочным иммунитетом (23). Исследования воспалительных заболеваний дыхательных путей человека показали, что β-дефензины участвуют в антимикробной защите в дыхательных путях во время болезни (110), и что концентрация HBD-2 в бронхоальвеолярной лаважной жидкости может быть полезным маркером воспаления дыхательных путей (111). Одним из наиболее recalcitrant респираторных заболеваний, поражающих человека и животных, является туберкулез, вызываемый микобактериальными видами бактерий. Интересно, что искусственная индукция β-дефензина 2 (mBD2) в бронхиальном эпителии способствует улучшению контроля инфекции Mycobacterium tuberculosis у мышей (112).

Более того, эффективность этих пептидов не ограничивается бактериальными патогенами. У крупного рогатого скота экспрессия множества β-дефензинов была документирована в бронхоальвеолярном лаваже от телят, инфицированных бычьим респираторно-синцитиальным вирусом (113). Мышиный β-дефензин 3 также показал антивирусные эффекты против вируса гриппа как in vitro, так и in vivo (44).

Пищеварительный тракт был местом наиболее детальных анализов микробиома среди всех изученных на сегодняшний день видов, и разнообразный репертуар микроэукариот теперь идентифицирован (114). Однако термин «пищеварительный тракт» скрывает функциональную сложность, которая составляет ряд физиологически различных регионов — пищевод, желудок, двенадцатиперстная кишка, тонкий и толстый кишечник и ободочная кишка, и это отражается в очень разнообразном регион-специфичном микробиоме (70). У жвачных существует дополнительная сложность в форме многокамерного желудка, известного как рубец. Major cellular differentiation существует в эпителиальных структурах через кишечные регионы между передней кишкой (рубец-сетка и книжка) и задней кишкой (сычуг и тонкий и толстый кишечник). Эпителий рубца представляет собой 4-слойную стратифицированную сквамозную структуру, тогда как кишечный эпителий — это один слой столбчатых эпителиальных клеток, защищенный двойным слоем слизи. Более того, тогда как эпителиальный слой рубца лишен подлежащей организованной лимфоидной ткани в lamina propria, кишечная lamina propria состоит из определенных пейеровых бляшек и специализированных «M» клеток, диффундированных лимфатическими фолликулами, богатыми иммунными клетками [для обзора см. Garcia et al. (115)].

У новорожденного теленка рубец еще неактивен и рудиментарен. Вместо этого пищеводный желоб направляет легко перевариваемое молоко непосредственно в четвертый желудок, сычуг, который составляет 70% общего объема. Развитие рубца происходит в течение первых 12 недель жизни, в течение которых теленок переходит от моногастричного к жвачному, что необходимо для эффективного использования рационов на основе корма. Это влечет рост и клеточную дифференциацию рубца и приводит к major shift в паттерне питательных веществ, доставляемых в кишечник, печень и периферические ткани животного (116). Физиологический переход стимулируется определенной и прогрессивной последовательностью микробной колонизации и необходим для обеспечения абсорбции и утилизации конечных продуктов пищеварения из корма. Как и следовало ожидать, не должно вызывать удивления, учитывая функциональную дивергенцию между этими тканями, что регион-специфичный микробиом был идентифицирован в бычьем рубце (117). Популяции бактерий, связанные со слизистой, отличаются от тех, что населяют содержимое, и эти дивергентные микробные популяции связаны с сигнатурными профилями экспрессии иммунных генов (118). Эпимуральные бактерии у телят до отъема значительно отличаются от сообщества, связанного с содержимым (119), и различные бактериальные популяции были связаны с дивергентными профилями экспрессии мРНК и микроРНК, связанными с эпимуральными бактериальными популяциями у неонатального теленка (120). В дополнение к резидентному микробиому, вызванные окружающей средой (транспортировка и диета) возмущения в микробиоме рубца были недавно охарактеризованы (121).

В гетерогенной среде кишечника β-дефензины, как известно, поддерживают мир (122) путем регулирования баланса между бактериальными популяциями и контроля гомеостаза (123), хотя это преимущественно изучалось у человека. Важная роль α-дефензинов была документирована в кишечном тракте лошади (3), и, учитывая интригующие различия в структуре и, предположительно, микробной нагрузке между моногастричными (лошадь и свинья) и жвачными сельскохозяйственными видами, могли способствовать дивергенции функции подклассов дефензинов. Отсутствие этого класса может компенсироваться экспансией β-дефензинов в рубце, хотя экспрессия β-дефензинов была показана в желудке свиньи и кишечном эпителии (124, 125). Как эти дефензины могут действовать в среде функционального рубца, остается открытым вопросом.

Короткоцепочечные жирные кислоты (SCFA) являются major source энергии у крупного рогатого скота, первоначально продуцируемые полезной микробиотой в ободочной кишке преруминантных телят в возрасте от 2 до 4 недель, когда наблюдаются высокие концентрации лактата и бутирата. Эти SCFA стимулируют пролиферацию эпителиальных клеток, приводя к более длинным ворсинкам, плотным контактам и развитию иммунной системы. Интересно, что ацетат, пропионат и бутират недавно были документированы как повышающие BD1 и BD2 в человеческих эпителиальных клетках (126). Среди анализов иммунных изменений, индуцированных в ответ на SCFA у крупного рогатого скота, недавнее исследование показало снижение экспрессии LAP, TAP и DEFB4A в эпителии рубца после инфузии бутирата (127). У овец максимальная экспрессия β-дефензинов (oBD1 и oBD2) была обнаружена в рубце в течение первых недель жизни, а также в пищеварительном тракте пренатально (128). Эти доказательства поддерживали бы роль дефензинов в управлении микробным интерфейсом, особенно во время начальной постнатальной колонизации кишечника и рубца.

Сравнивая эпителиальный транскриптом безмикробных и conventionally выращенных мышей во время кишечной колонизации, сообщалось о значительно повышенной экспрессии дефензинов (DEFB37 и DEFB39) в верхушке ободочной кишки у последней группы. Однако значительное снижение экспрессии было обнаружено в подвздошной кишке, указывая на регион-специфичный ответ β-дефензинов на колонизацию (129). Интересно, что трансгенные мыши, экспрессирующие человеческие дефензины, были защищены против кишечной сальмонеллы, снова усиливая защитную роль этих молекул (130). Аналогично, у кур диетическая добавка бутирата привела к повышенной экспрессии генов дефензинов в слепой кишке и одновременному снижению носительства S. enteritidis (131).

Ободочная кишка представляет наиболее дистальную часть пищеварительного тракта, и экспрессия HDP была описана в ткани ободочной кишки человека (132). Аналогично, бычий кишечный β-дефензин был назван после того, как первоначально был обнаружен экспрессирующимся в тонком кишечнике и ободочной кишке (133). В результате предлагается, что их антимикробная активность может быть использована как потенциальная терапия для инфекционных и неинфекционных заболеваний ободочной кишки.

Недавно было показано, что человеческое грудное молоко имеет резидентный микробиом (134) одновременно с экспрессией β-дефензинов. β-дефензин 2 в человеческом грудном молоке, как было показано, обладает широкой антимикробной активностью (89), которая, как считается, способствует контролю пролиферации микробов в этой идеальной среде роста. Неудивительно, что микробный анализ бычьего молока показал similar commensal bacterial populations, и, что интересно, изменения в разнообразии были связаны с заболеванием (135). Здоровая молочная железа у коров также, как было показано, продуцирует β-дефензины, включая TAP (136) и Lingual Antimicrobial Peptide (LAP) (137), и экспрессия widespread throughout the mammary gland (138). Индукция этих генов также была постулирована как маркеры раннего ответа на воспаление (20) и мастит (135).

Вполне вероятно, что защита молочной железы является первичной функцией экспрессии β-дефензинов в молоке. Хотя анализ действия HDP обычно сосредоточен на известных патогенах, эти пептиды не были протестированы на эффективность против недавно охарактеризованных комменсальных видов, поэтому их роль в регуляции микробного гомеостаза молочной железы остается неясной. Также было высказано предположение, что β-дефензины в молоке могут помогать регулировать кишечное развитие у новорожденного, но это остается спекулятивным до тех пор, пока не будет проведена дальнейшая функциональная характеристика (91).

Женский репродуктивный тракт (FRT) хорошо наделен HDP, включая β-дефензины (139, 140), и в течение каждого окна физиологических переходов (беременность к небеременному состоянию) взаимодействие между иммунной и репродуктивной системами, обеспечиваемое эндогенными HDP, может играть важные роли в ослаблении иммунного ответа на чужеродный антиген, такой как сперма, но также в регуляции иммунной толерантности к аллогенному плоду во время беременности (141). У мышей β-дефензины более высоко экспрессируются во влагалище, чем в матке, с уровнями в матке, достигающими пика во время эстроген-доминантной фазы цикла (142, 143). Роль гормональной регуляции была поддержана находками, что эстроген повышает экспрессию DEFB4A первичными человеческими эпителиальными клетками матки in vitro (144). В эпителии яйцевода овцы экспрессия SBD1 также повышается эстрогеном (145). Однако эстроген, по-видимому, оказывает противоположный эффект на регуляцию DEFB4A в человеческом влагалище, с экспрессией в эпителиальных культурах, снижающейся, когда эстроген используется отдельно (146). Отдельное исследование указывает, что эстроген повышает LPS- driven DEFB4A экспрессию в той же модели, с прогестероном, снижающим ее (147).

Сравнения девственных и беременных бычьих маток показали дивергентные доминантные бактериальные филы между группами (148), предполагая, что беременности устанавливаются и поддерживаются в присутствии микробиома матки также у крупного рогатого скота. Большую часть года сельскохозяйственные виды беременны, и именно вокруг размножения, когда фолликулы растут и секретируется эстроген, но исследование их влияния на экспрессию β-дефензинов на сегодняшний день не проводилось. Хорошо установлено, что после беременности самка (и specifically корова) должна перейти от иммуносупрессивного (или иммунотолерантного) состояния во время беременности к состоянию повышенной иммунной активации с одновременным воспалением, чтобы изгнать плодные оболочки, очистить инфекцию и восстановить гомеостаз (149). Провоспалительные сигналы также регулируют экспрессию β-дефензинов в FRT. Сперма и семенная плазма могут активировать воспалительные цитокины, и физиологическое воспаление в женском тракте может способствовать благоприятным исходам беременности. IL-1β и TNFα驱动 экспрессию DEFB4A первичными человеческими клетками трофобласта (150) и DEFB4A и DEFB103 в эндометриальных эпителиальных клетках (151, 152). Эти цитокины могут опосредовать наблюдаемый врожденный иммунный ответ на патогены, обнаруженные в FRT. Бактериальный вагиноз驱动 увеличение секреции hBD-2, пептида, кодируемого DEFB4A (153).

У человека незащищенный секс также, как известно, изменяет микробиом влагалища и половую передачу комменсальных и потенциально патогенных бактерий (154). Экспрессия человеческого и мышиного BD1 была документирована в нижних мочевых путях (155), и повышенная экспрессия β-дефензинов (HBD2 и HBD3) также была документирована при воспалении шейки матки (156), поддерживая важную роль пептидов в слизи для защиты FRT. Вероятно, что β-дефензины эволюционировали для регулирования этого притока микрофлоры во время естественного размножения. Интересно, что ряд HDP, включая hBD-1, обнаружен в цервикальной слизистой пробке, и эта структура, генерируемая при беременности, оказывает антимикробную активность против ряда соответствующих патогенов (157).

Бычьи эндометриальные клетки продуцируют β-дефензины (158), и они значительно повышены во время заболевания матки (159). Вирусные инфекции также, как считается, играют роль в эндометрите (160), и поэтому представляет интерес, что β-дефензины могут также опосредовать антивирусный ответ в FRT, поскольку уровни hBD-2 в цервико-вагинальной лаважной жидкости ВИЧ-положительных женщин коррелируют с анти-ВИЧ активностью (161). Напротив, инфекция гаммагерпесвируса шейки матки мыши ослабляет экспрессию β-дефензинов, что может объяснить предрасположенность к бактериальной инфекции шейки матки, наблюдаемую у вирусно-инфицированных животных (162).

Некоторые дополнительные интригующие insights emerged относительно роли комменсальных микробных популяций в человеческом репродуктивном тракте, которые имеют важные последствия для фертильности у сельскохозяйственных видов (163). Например, комменсальная бактерия Staphylococcus epidermidis была обнаружена в жидкости яйцевода у рожавших мышей, и устранение этих популяций путем интраперитонеальной инъекции антибиотиков привело к нарушенному взаимодействию матки и эмбриона и нарушению spacing эмбрионов (164). Эта новая парадигма в нашем понимании также распространяется на роль β-дефензинов в мужском репродуктивном тракте. Обширная экспрессия этих молекул была документирована по всему мужскому тракту множества видов млекопитающих, особенно в эпидидимисе самцов крыс, мышей, баранов, лошадей и крупного рогатого скота (51, 165, 166) [для обзора см.: (167)]. Эпидидимис — это единственный извитой проток, через который сперматозоиды прогрессивно приобретают функциональную компетентность для оплодотворения. Высоко регионализованные профили экспрессии белков, включая β-дефензины, дают начало динамичной интралюминальной среде (168). Один конкретный β-дефензин (BD126) был документирован как играющий ряд ролей, критических для выживания, подвижности сперматозоидов и взаимодействия с женским репродуктивным трактом (49, 50, 169). В согласии с их широкой ролью в репродуктивной физиологии, недавнее исследование также показало, что самцы мышей с нокаутом гена β-дефензина бесплодны (170). Вмешательство в функцию DEFB1 также снижает как функцию сперматозоидов, так и бактерицидную активность (171), и, что интересно, добавление обратно DEFB1 восстановило обе функции. Исследования на сельскохозяйственных видах снова предварительны, но недавно гаплотип β-дефензина был связан с функцией сперматозоидов и фертильностью у быков (51, 172).

Замечательным недавним открытием стала идентификация микробиома семенной жидкости у мышей (166) и человека. Бактериальное разнообразие семенной жидкости было связано с качеством семени и вирусной нагрузкой ВИЧ у человека (173, 174). Логично, учитывая изобилие аминокислот и других питательных субстратов в основной семенной жидкости, что это будет способствовать бактериальному росту, и этот микробиом, вероятно, будет влиять на колонизацию FRT (175). Фактически, исследователи теперь предполагают, что этот микробиом непосредственно влияет на этиологию бесплодия (174). В этом контексте теперь кажется plausible предложить, что β-дефензины эволюционировали для регулирования микробиома в семенной жидкости и предотвращения роста бактериальных популяций, которые могут быть вредны либо для качества спермы, либо для здоровья матки. Однако требуются детальные последующие исследования для дальнейшей проверки этой гипотезы.

Мужской репродуктивный тракт является домом для зародышевых клеток, и репродуктивные жидкости являются идеальными средами для микробного роста и особенно вирусной передачи (176). Из миллионов эякулированных сперматозоидов очень немногие успешно достигают верхнего женского репродуктивного тракта, где происходит оплодотворение. Логически, следовательно, большинство сперматозоидов являются неоплодотворяющими и предполагаются потерянными. Мы предлагаем, что, напротив, может быть так, что эти покрытые β-дефензином сперматозоиды могут играть вторичную роль в предотвращении восходящей инфекции через рекрутирование нейтрофилов и опосредованное нейтрофилами уничтожение микробов в женском тракте. Недавно была установлена прямая связь между микробиомом и рекрутированием нейтрофилов (177), и роль β-дефензинов в хемоаттракции нейтрофилов была ранее документирована, хотя и в контексте заболевания (178). Срочно требуются дальнейшие исследования.

Здоровый микробиом можно охарактеризовать с точки зрения разнообразия, стабильности, устойчивости и resilience (179). Композиционные и функциональные изменения, которые compromise любой из этих параметров, называются дисбиозом, отражаемым bloom патологии-ассоциированной микробиоты (называемой патобионтами) и/или потерей комменсалов и consequential reduction в разнообразии микрофлоры (180). Хотя разнообразие полезно против болезни (105), дисбиоз связан с рядом патологических состояний у мышей (181), человека (182) и крупного рогатого скота (183). Результирующий дисбиоз предоставил бы возможности для оппортунистических патогенов вторгаться в слизистые сайты, вызывать чрезмерное воспаление, сопровождаемое связанной потерей метаболитов, ведущей к дерегулированным ответам иммунных клеток, патологии и болезни (см. Рисунок 1).

Рисунок 1  β-дефензины управляют микробным интерфейсом. (A) В гомеостатических условиях опосредованное β-дефензинами преимущественное направление микробов к дендритным клеткам способствует индукции толерантности и контролю воспаления. Аналогично, пренатальная экспрессия β-дефензинов индуцирует воспалительную анергию, пока происходит обучение иммунной системы. (B) Вызванный стрессором дисбиоз приводит к дерегуляции воспаления, и потеря метаболитов из-за повреждения клеток приводит к bloom патобионтов. В попытке восстановить гомеостаз происходит повышенная экспрессия β-дефензинов, приводящая к измененной сигнатуре экспрессии. Гены, кодирующие эти хозяин-защитные пептиды, различаются по числу между индивидуумами, что приводит к персональной сигнатуре β-дефензинов, которая может быть более или менее эффективной в предотвращении переключения на патологическое воспаление.

Текущая догма предполагает, что колонизация слизистых поверхностей начинается с периода клеточно-опосредованного иммунитета, за которым следует развитие регуляторных клеточных популяций (например, регуляторных T-клеток), которые предотвращают чрезмерную связанную с воспалением патологию. Прямая связь теперь установлена между комменсальным микробиомом и регуляцией воспаления, поскольку провоспалительный цитокин интерлейкин 1-альфа (IL-1α) является ключевой регуляторной мишенью комменсальных бактерий (184). Хотя механизмы, вовлеченные в иммунную толерантность к первым колонизаторам слизистых тканей, в настоящее время неизвестны (116), комменсальные (и пробиотические) бактерии теперь, как считается, вносят прямой вклад в регуляцию воспаления путем секреции метаболитов, через предотвращение связывания LPS с клетками хозяина и через ослабление опосредованной NFKB продукции IL-1β (185, 186). Фактически, тогда как недавние исследования показали комменсал-индуцированный IL-1β через инфламмасому NLRP3 (187), активация через другой комплекс инфламмасомы (NLRC4) была предложена для различения патогенных и комменсальных бактерий (188). Макрофаг-производный IL-1α, как было показано, значительно повышает уровни экспрессии DEFB4 в кишечном эпителии (64). Эта и связанная работа в человеческом кишечнике также предполагает, что дефензины являются ключевыми регуляторами бактериального разнообразия и тем самым тканевого гомеостаза (122). Кишечные фагоциты анергичны к лигандам TLR или комменсалам, но конститутивно экспрессируют pro-IL1β, и теперь считается, что HDP инициируют посттрансляционную обработку IL-1β (189). Тесная связь между дерегулированным микробиомом и измененной экспрессией β-дефензинов была наиболее интенсивно изучена в контексте хронических воспалительных заболеваний человеческого кишечника, известных как воспалительные заболевания кишечника (IBD) (190). Клинические исследования связали дефектную экспрессию β-дефензинов с reduced killing определенных микроорганизмов кишечной слизистой пациентов и напрямую связывают дисбиоз с первичным иммунодефицитом β-дефензинов (182, 191).

Эпителий в воспаленных кишечных сегментах пациентов с болезнью Крона характеризуется изменением содержания и состава белков плотных контактов (192), что приводит к дефектам барьера, ведущим к поглощению люминального антигена, что вызывает воспаление слизистой. Плотный контакт — это динамичный многобелковый комплекс, который образует селективно проницаемое уплотнение между соседними эпителиальными клетками и разграничивает границу между апикальным и базолатеральным мембранными доменами. Апикальные белки плотных контактов критически важны в поддержании функции эпителиального барьера и контроле парацеллюлярной проницаемости для предотвращения болезни (193), и установленный механизм вирулентности патогенов заключается в ограничении патогенов путем стабилизации плотных контактов (194). HDP, и specifically дефензины, теперь, как считается, способствуют разрешению воспаления и разрешению эндотоксина через formation and maintenance плотных контактов (195). Дефензины также были предложены как потенциальные маркеры проницаемости слизистой (196). HBD-3 повышал экспрессию нескольких клаудинов, повышал трансэпителиальное электрическое сопротивление и снижал парацеллюлярную проницаемость слоев кератиноцитов (36).

Хотя, кажется, консенсус большинства исследований состоит в том, что эти пептиды иммуносупрессивны (197) и ослабляют воспаление (198), есть сообщения, что некоторые β-дефензины усиливают иммунный ответ [как reviewed by Semple and Dorin (199)]. Некоторые исследования сообщают о положительной корреляции между уровнями экспрессии HBD2 и таковыми мощного хемокина IL-8, что приводит к дополнительному рекрутированию воспалительных клеток и ускорению патогенеза IBD (200). HBD2 также, как было показано, активирует экспрессию провоспалительных цитокинов (201) в клетках периферической крови, с similar reports для HBD3 (32) в макрофагах. Однако трудно эффективно сравнивать между исследованиями с различными моделями заболеваний, поскольку индукция β-дефензинов может быть защитной попыткой хозяина уменьшить обострение воспалительного каскада и, вероятно, будет зависеть от стадии заболевания, эпигенетического ландшафта и микробной нагрузки. Более того, исследования также продемонстрировали, что структура пептида β-дефензина будет определять обнаруживаемые биологические эффекты — например, каноническая структура hBD3 требуется для его проникновения в макрофаги и оказания иммуносупрессивных эффектов (34).

Генетическая вариация хозяина оказывает значительное влияние на микробиом по множеству сайтов тела (202, 203), и мы утверждаем, что обширная вариация, обнаруженная в генах β-дефензинов, способствует фенотипическому разнообразию в нескольких сельскохозяйственно-релевантных признаках. Недавние исследования связали индивидуальные SNP в генах β-дефензинов с фенотипами здоровья и продуктивности, включая количество соматических клеток (204) и компоненты молока (205). Совсем недавно у крупного рогатого скота были обнаружены гаплотипы, которые регулируют важные признаки, такие как фертильность быков (172). Широкий профиль экспрессии этих генов у крупного рогатого скота показан на Рисунке 2.

Рисунок 2  β-дефензины как регуляторы микробиома и биосенсоры иммунного гомеостаза: экспрессия генов β-дефензинов в бычьих тканях — в крупном рогатом скоте существует четыре геномных кластера этих генов на хромосоме 8 (4 гена); хромосоме 13 (19 генов); хромосоме 23 (5 генов); и хромосоме 27 (30 генов). Гены β-дефензинов на хромосоме 27 наименее хорошо консервативны между видами, известны как CNV и показывают экспансию по числу у крупного рогатого скота. Ткани с иммунологической привилегией (репродуктивный тракт) показывают особенно обширные паттерны экспрессии β-дефензинов.

β-дефензины эволюционировали через сложный механизм дупликации, который привел к высокополиморфной CNV генов (206). CNV генов β-дефензинов может влиять на устойчивость к болезням (207, 208) — предполагается, что повышенное число копий гена способствует восприимчивости к воспалительным или аутоиммунным заболеваниям, но защищает против инфекционных заболеваний (209). Хотя данные по крупному рогатому скоту ограничены, локусы β-дефензинов составляют 7 из 25 наиболее CNV регионов по всему бычьему геному (210, 211). До 20 копий генов наблюдается для некоторых иммунных генов у различных секвенированных пород крупного рогатого скота, включая LAP, TAP и DEFB5, гены, которые ранее были показаны как повышенные в ответ на инфекцию, особенно в тканях молочной железы, легких и матки [для обзора см. Meade et al. (17)].

Несколько мультигенных семейств подвержены эволюции рождения-и-смерти, и скорости приобретения и потери генов значительно варьируют между близкородственными видами или даже между индивидуумами одного вида (212–215). Эти гены представляют собой major source новых (или дополнительных) биологических функций через процесс, известный как неофункционализация (216). Отбор на некодирующие регуляторные области в hBD103 в человеческих популяциях из Азии также был недавно описан (217), что, как считается, является ответом на селективное давление со стороны вирусов гриппа в регионе. У крупного рогатого скота селективное давление, которое, как считается, способствовало экспансии β-дефензинов, первоначально было эволюцией рубца (218). Рубец-специфичные защитные механизмы важны для обеспечения баланса между иммунным надзором разнообразной кишечной микробиоты (219) и поддержанием целостности желудочно-кишечного эпителиального барьера (123). Однако присутствие этих генов у моногастричных, включая лошадей (220) и свиней (221), поддерживает альтернативное обоснование. Более того, биологические системы, наиболее затронутые изменениями в числе и организации генов в линии крупного рогатого скота в ходе эволюции, включают размножение и иммунитет, а также лактацию и пищеварение (218). Интенсивный искусственный отбор, которому крупный рогатый скот подвергался последние 60 лет, вероятно, дополнительно сформировал генетическую вариацию β-дефензинов, оставшуюся у существующих пород.

Обширная экспрессия расширенного репертуара β-дефензинов по всему репродуктивному тракту видов млекопитающих подчеркивает важность защиты гамет в ходе эволюции. Стадная структура размножения большинства видов млекопитающих была постулирована как потенциальное селективное давление, где расширенное семейство пептидов β-дефензинов обеспечивало бы усиленную защиту против восходящих инфекций репродуктивного тракта. Интригующе, что геномы птичьих видов не подверглись экспансии этих генов, но потеря пениса у самцов большинства птичьих видов (222) может исключать потребность в расширенном семействе β-дефензинов. Самцы уток и страусов, члены этой клады, сохранили свой пенис, и хотя аннотация далека от завершения, геном утки в настоящее время оценивается как содержащий 16 дефензинов, распределенных по 3 скаффолдам, число, которое было немного выше, чем 14 дефензинов, найденных у курицы (223). Предварительный поиск доступной последовательности генома страуса идентифицировал ряд консервативных последовательностей из 6 цистеинов в дополнение к currently identified members семейства β-дефензинов (неопубликованные данные), потенциально представляющих экспансию β-дефензинов. Однако окончательные доказательства еще не доступны, и вполне вероятно, что другие селективные давления объясняют экспансию, обнаруженную в линии млекопитающих.

Более убедительным селективным давлением, способствующим экспансии репертуара β-дефензинов у млекопитающих, является их потребность поддерживать гомеостаз в средах с высоким разнообразием микробов, а также иммунозащиту в сайтах иммунной привилегии. Воспаление в specific body sites (например, мозг, глаза, яички) было бы вредным для выживания вида, вызывая патологию и возможно смерть. В иммунопривилегированных сайтах иммунные молекулы (включая IL-1) могут присутствовать в высоких концентрациях без вызывания воспаления, указывая на важные иммунорегуляторные механизмы. Фенотип иммунных клеток, включая регуляторные T-клетки и макрофаги, а также экспрессия противовоспалительных цитокинов, как известно, критически важны для поддержания функционального состояния гипоактивности (224). Поэтому защита против патогенов orchestrated альтернативными средствами, и β-дефензины, вероятно, играют главную роль.

Яички являются одним из таких сайтов (225), где гаплоидные гаметы требуют защиты и изоляции от воспалительных иммунных клеток, и в этой среде регулярные воспалительные механизмы ослаблены. Гемато-тестикулярный барьер поддерживается несколькими типами клеточных контактов, которые ограничивают доступ системного иммунного содержимого к внутренним репродуктивным компартментам (225). Цитокины и хемокины экспрессируются в здоровой ткани и функционируют во время нормального развития яичек (226), и повышенные концентрации воспалительных цитокинов были связаны с повышенными активными формами кислорода и аномалиями гистонов в сперматозоидах (227). Тогда как уровни противовоспалительного цитокина IL-10 в бычьей семенной жидкости положительно связаны с подвижностью сперматозоидов, обратные корреляции были обнаружены с провоспалительными цитокинами (228). Высокие уровни хемокина IL8 также были положительно связаны с дефектами сперматозоидов человека (229). Мы утверждаем, что потребность в защите гамет и репродуктивного тракта в ходе эволюции привела к экспансии β-дефензинов в этой регулируемой среде, и этот тезис поддерживается обширной экспрессией этих молекул в эпидидимисе у всех видов, у которых они изучались на сегодняшний день (230). Потребность в β-дефензинах в иммунопривилегированных сайтах не ограничивается мужским репродуктивным трактом и может также объяснять их документированную экспрессию в женских репродуктивных тканях во время беременности, а также в мозге и глазу (231).

Интересно, что исследования на стимулированных LPS макрофагах показывают, что индуцированные TLR гены делятся на две различные категории на основе их функций и регуляторных требований. Называемые «провоспалительными» и «антимикробными генами», tailored innate immune response контролируется через эпигенетические модификации индивидуальных промоторов (232). Метилирование и модификации хроматина тем самым позволяют разъединение провоспалительных и антимикробных эффекторных механизмов врожденной иммунной системы, которая поддерживает защиту хозяина, одновременно минимизируя связанное с воспалением патологическое повреждение. Такие механизмы теперь, как известно, формируют краеугольный камень развивающейся парадигмы врожденной памяти и имеют огромное значение для понимания толерантности к LPS, анергии иммунных клеток и иммуносупрессии.

Доказательства эпигенетической регуляции генов β-дефензинов поддерживают эту концепцию. Эпигенетический фермент HDAC1, как было показано, контролирует BD в эпителиальных клетках легких (233). Дальнейшая работа идентифицировала, что экспрессия DEFB1 была связана со специфическими гистоновыми метками (234). Интересно, что абляция микробиоты имеет общегеномные эпигенетические эффекты (235) и может влиять на связывание транскрипционных факторов (236), тем самым обеспечивая прямой механизм, посредством которого комменсальные бактерии могут регулировать иммунный ответ ген-специфичным образом. Однако эпигенетические изменения в промоторах генов HDP до сих пор не изучались.

β-дефензины также могут оказаться полезными непосредственно как широкоспектральные адъюванты, которые требуются для улучшенного дизайна вакцин у крупного рогатого скота (237). Как эндогенный лиганд для Toll-подобного рецептора 4 (TLR-4), индуцирующий up-regulation костимулирующих молекул (33), экспрессия β-дефензинов, как считается, способствует установлению благоприятного Th1-ответа через активацию дендритных клеток и повышенную экспрессию цитокинов, таких как IFNy, IL-12 и IL-6 (238). Было высказано предположение, что β-дефензины образуют комплексы с антигеном (способом, similar to how they bind to sperm), которые могут быть важным механизмом транспорта микробов к антиген-презентирующим клеткам [как reviewed by (239)], что позволило бы надлежащее обучение неонатальной иммунной системы, а также их праймирование во время формирования врожденной и адаптивной иммунной памяти. In vivo murine models показали, что β-дефензин 2 promotes anti-tumor NK и благоприятные T-клеточные ответы (240).

Известно, что β-дефензины имеют значительное структурное сходство с хемокинами, и major known mechanism, посредством которого работают дефензины, — это хемоаттрактанты для иммунных клеток. Опосредованные через оба рецептора CCR2 и CCR6 (35, 241), β-дефензины тем самым привлекают миелоидные и лимфоидные клетки к слизистым сайтам, где они экспрессируются, и тем самым связывают врожденный и адаптивный иммунитет. Они также функционируют для увеличения поглощения ДНК и promotion Interferon α expression (242), что дополнительно предполагает их полезность в усилении вакцинных ответов. DC обычно обнаруживаются в слизистых тканях, где они мониторят локальную среду на признаки патогенного (или комменсального) вторжения и integral to ensuring that pathological immune responses to harmless antigens do not develop (243). Обычно считалось, что эти содержащие комменсалы DC ограничены соответствующими слизистыми иммунными системами, где они праймируют толерантные ответы B и T клеток (244). Однако более недавние исследования показали, что homing этих DC к лимфатическим узлам может привести к развитию регуляторных клеточных популяций, которые способствуют системной толерантности (245).

Дефензины также обнаруживаются в B-клетках (246, 247), подтверждая, что эти пептиды способны вносить вклад в пролонгированный клеточный и гуморальный ответ на патоген (248), и это имеет потенциально важные последствия для разработки вакцин у всех видов. Поэтому β-дефензины являются порталом рекрутирования, через который рекрутируются системные иммунорегуляторные DC и тем самым направляют праймирование адаптивного иммунного ответа (249). Это подразумевает, что неонатальные профили экспрессии β-дефензинов, регулируя развитие микробиома, могут регулировать вакцинную адъювантность и тем самым эффективность и продолжительность обеспечиваемой защиты (245). Эти исследования имеют критическое значение для дизайна вакцин следующего поколения и адъювантов у сельскохозяйственных видов.

Ключевой фокус будущих исследований будет идентифицировать множественные механизмы, посредством которых комменсалы могут переносить илиresist antimicrobial effects β-defensin HDPs. Large structural variations в LPS антигенах были документированы по бактериальным филам, приводя к различной эффективности хозяина в sensing LPS и результирующей иммуногенности (250). Преобладающие комменсальные члены человеческой кишечной микробиоты показывают временную стабильность, несмотря на воздействие воспалительного ответа хозяина, но механизмы, involved, poorly understood. Недавнее исследование идентифицировало, что доминантные кишечные филы в человеческом кишечнике устойчивы к HDP, и что механизм устойчивости common gut commensal Bacteroides thetaiotaomicron — через модификацию LPS (251). Авторы обнаружили, что бактериальная фосфатаза LpxF катализирует удаление фосфатной группы из LPS, тем самым снижая AMP-зависимое разрушение мембраны. Поскольку ортологи LpxF widespread, эта стратегия может быть общей для кишечных комменсалов для сопротивления воспалению хозяина.

Более того, отсутствие факторов вирулентности у комменсальных бактерий в бычьем рубце было предложено как ключ к адаптивным процессам, которые приводят к их эксплуатации эпителиальной ткани для питательной выгоды, а также subversion вредного иммунного ответа (252). Однако полная характеристика разнообразных бактериальных штаммов, существующих в микробиоме, займет некоторое время.

Переоценка взаимосвязей между микробным миром и их эукариотическими субъектами хорошо underway. Теперь ясно, что физиологическая стерильность по существу невозможна, и микробиомы документируются по сайтам от развивающегося плода до здорового грудного молока, слез и семени. Хотя эти находки могут иметь major implications для дизайна новых терапевтических средств, требуется осторожность и тщательная валидация (253), прежде чем можно будет advocating translation этих находок из ограниченного числа исследований на другие виды. Однако ненаправленные, black box подходы к профилактике или лечению заболеваний больше не рассматриваются как вероятные обеспечить долгосрочную защиту. Напротив, новое понимание нашего резидентного прокариотического царства emerges, и оно все больше рассматривается как ключ к гомеостазу и здоровью. Хотя бактерии являются наиболее многочисленным компонентом микробиома и наиболее интенсивно изучаются, микробиом фактически также состоит из вирусных, грибковых, архейных и простейших сообществ (184, 254–256), о которых сравнительно мало известно (184, 257–259), даже у модельных видов.

β-дефензины могут даже иметь неврологическую роль (260). Способность микробиома регулировать продукцию серотонина идентифицирует механизмы, посредством которых они могут также регулировать нейронную химию (254). Через их ингибирование повышения глюкокортикоидов в ответ на стресс, дефензины даже, как считается, предотвращают вызванную стрессом иммуносупрессию (255). Хотя на первый взгляд психологические эффекты микробиома у сельскохозяйственных видов могут показаться не relevant, стресс вызывает все большую озабоченность в этических системах производства животных. Стресс является критическим причинным фактором, который не только способствует потерям продукции и рискам для благополучия человека, но также может влиять на восприимчивость к заболеваниям. Одно исследование на крупном рогатом скоте обнаружило, что обработанные дексаметазоном телята имели значительно более низкую экспрессию TAP и LAP β-дефензинов в легких, что было заявлено как критический способствующий фактор восприимчивости к заболеваниям (256). Экспрессия β-дефензинов была документирована в человеческой ушной сере (261), и недавнее открытие экспрессии β-дефензинов в гипофизе рыб (262) и в мозге мышей (263, 264) предполагает, что определение полного диапазона активностей β-дефензинов еще предстоит.

Следовательно, в отсутствие стерильности базальная (или конститутивная) экспрессия in vivo может не существовать. Возможно, базальная экспрессия, например, β-дефензинов, говорит нам гораздо больше, чем мы осознавали ранее, и может дать insights в статус микробиома, который неизбежно повлияет на каждый фенотип интереса и в конечном итоге на исходы заболеваний. Высокая базальная экспрессия может фактически представлять индуцированный ответ, указывающий на колонизацию (иммунообразование), инфекцию или действительно идентифицировать эукариотов с более robust прокариотической системой управления и, следовательно, иммунным преимуществом. Более того, возникновение загадочных «естественных антител» при рождении может отражать праймирование, которое происходит во время иммунного программирования в утробе.

Использование антибиотиков было показано как усиливающее кишечную колонизацию энтеральных патогенов (71) и имеет огромное значение для систем производства животных. Новые зеленые антимикробные препараты срочно требуются в медицине и в ветеринарной медицине в частности (265). Хотя значительные ограничения, как технологические, так и экономические, hamper текущее терапевтическое использование β-дефензинов, они не непреодолимы и все еще предлагают надежду для рационального дизайна новых эффективных препаратов (266). HDP были предложены как потенциально полезные альтернативы антибиотикам в корме (267), и они проявляют значительный потенциал для улучшения функции кишечного барьера, здоровья животных и продуктивности (268). Недавнее исследование показало, что скармливание их юным жвачным привело к увеличению массы тела, среднесуточного прироста, ферментативной активности и положительно повлияло на ферментацию рубца (269). Кроме того, козы, обработанные AMP, имели более высокие индексы разнообразия микроорганизмов рубца, чем контрольные группы. Для успеха новых treatments требуется селективность — и все доступные на сегодняшний день доказательства предполагают, что HDP идеально подходят для этой роли.

β-дефензины имеют важные роли не только для профилактики инфекционных заболеваний, метаболические заболевания являются major limiting factor для систем производства сельскохозяйственных животных (270) и будут расти в значимости по мере интенсификации сельскохозяйственного производства, и рассматриваются как возмущения, связанные с производством. Поэтому существует exquisite symbiotic relationship между микробиомом и метаболомом, где метаболиты, секретируемые как комменсальными бактериями, так и их хозяином, являются ключом к поддержанию гомеостаза (271). Как регуляторы микробиома и тем самым клеточного метаболомного milieu, β-дефензины имеют ключевую роль в этом отношении (272). Питательные вещества (такие как SCFA) напрямую регулируют системный энергетический гомеостаз, что ключево для продуктивного и здорового скота для производства пищи для человека (273). Они также напрямую влияют на развитие иммунных клеток, поскольку бутират ранее был показан как индуцирующий мышиный Th1-ответ (274).

Релевантность для сельского хозяйства не ограничивается улучшением здоровья скота, но также критически важна для размножения. Вмешательство в функцию DEFB1 было показано как снижающее функцию человеческих сперматозоидов и бактерицидную активность (171), и, что интересно, добавление обратно DEFB1 восстановило обе функции. Делеция ряда мышиных генов β-дефензинов привела к аномальной структуре сперматозоидов, функции и стерильности у самцов мышей (275). Similar work на крупном рогатом скоте идентифицировала гаплотип β-дефензина, связанный с функцией сперматозоидов и фертильностью у быков (51, 172), делая их молекулами major interest для сельского хозяйства.

В заключение, любое определение комменсала или патогена проблематично, учитывая то, что мы теперь знаем о микробиомах (276, 277). Рассматривать экосистему микробиома как «битву хороших против плохих микробов» — это упрощение в крайней степени. Мы утверждаем, что регулирование состава и разнообразия комменсальных популяций является столь же важной особенностью функции HDP, как и предотвращение вторжения патогенов. Поэтому мы рассматриваем β-дефензины как сенсоры микробного равновесия и стражи гомеостаза. Возможно, что неонатальные сигнатуры генов или белков β-дефензинов могут быть диагностическими для гомеостаза по слизистым сайтам и прогностическими для дерегулированного иммунитета и заболевания в более поздней жизни. Что ясно, так это то, что колонизация разнообразным микробиомом происходит по эукариотическим поверхностям, как внутренним, так и внешним, начинается до рождения, и непрерывная количественная и качественная обрезка микробиома критически важна для здоровья и гомеостаза (278). Совокупные доказательства, представленные здесь, обеспечивают сильную поддержку того, что без активного культивирования микробиома β-дефензиновыми HDP патология и болезнь были бы неизбежны. Мы предсказываем, что стимулирование экспрессии β-дефензинов emerge как ключевой терапевтический механизм для усиления естественного иммунитета, восстановления гомеостаза и снижения бремени инфекционных заболеваний у сельскохозяйственных животных.

Meade KG and O'Farrelly C (2019) β-Defensins: Farming the Microbiome for Homeostasis and Health. Front. Immunol. 9:3072. doi: 10.3389/fimmu.2018.03072

Перевод статьи «β-Defensins: Farming the Microbiome for Homeostasis and Health» авторов Meade KG and O'Farrelly C., оригинал доступен по ссылке. Лицензия: CC BY. Изменения: переведено на русский язык

Фото: Designed by Freepik