TLR5が常在菌の活動を停止させる

第14巻、第5号、2013年11月13日、488-490ページ
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TLR5が常在菌の活動を停止させる
著者リンク オーバーレイパネルを開くMeghan A.Koch1Gregory M.Barton1
https://doi.org/10.1016/j.chom.2013.10.015
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参考文献
Tyler C. Cullender, Benoit Chassaing, Anders Janzon, Krithika Kumar, Catherine E. Muller, Jeffrey J. Werner, Largus T. Angenent, M. Elizabeth Bell, Anthony G. Hay, Daniel A. Peterson, Jens Walter, Matam Vijay-Kumar, Andrew T. Gewirtz, Ruth E. Ley
自然免疫と適応免疫の相互作用による腸内微生物叢の鞭毛運動抑制効果
Cell Host & Microbe, Volume 14, Issue 5, 13 November 2013, Pages 571-581.
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IgA抗体は、腸内常在菌による腸管免疫の恒常性維持に役立つが、IgA誘導の正確な制御機構やこれらの抗体が認識するエピトープについては、まだ十分な理解が得られていない。本号では、Cullenderら（2013）が、TLR5依存的な抗フラジェリン抗体の誘導が、細菌の運動を制限することによって常在菌の腸管粘膜への付着を防ぐことを実証している。

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本文
哺乳類の腸管は、微生物叢と総称される常在菌の密で複雑なコミュニティによってコロニー化されている。この微生物群集との平和を維持するために、免疫系は微生物の移動を制限し、局所的な耐性を促進する数多くの機構を採用している。そのひとつが、B細胞による常在菌特異的IgA抗体の産生である。IgAは微生物群に直接反応して誘導され、二量体化して腸管上皮細胞の境界を越えて内腔に積極的に分泌される。IgAは、様々な常在菌の表面に結合して、それらの腸管粘膜への結合を制限し、細菌の宿主組織への侵入を防ぐことができる。興味深いことに、ある種の常在菌はその表面抗原を変化させることが示されており、IgAが内腔に発現する抗原の発現を形成していることが示唆されている。IgA欠損マウスやヒトの研究から、この抗体アイソタイプが腸内細菌叢の構成や常在菌の適切な局在を制御する上で重要であることが示されているが（Macphersonら、2012）、IgAがこれらのタスクを達成する正確なメカニズムは依然として不明である。さらに、IgAが認識する常在菌抗原の特性も十分に解明されていない。

本号では、Cullenderら（2013）が、これらの未解決の問題のいくつかに言及している。著者らは、細菌べん毛の構成タンパク質であるフラジェリンが、健常者の腸内に低レベルで存在することを指摘している。これは、微生物相の大部分が遺伝的にこのタンパク質を発現できるにもかかわらず、である。このような低レベルのフラジェリン発現の説明として、健康な免疫系が常在菌によるフラジェリン発現を何らかの形で低下させている可能性がある。フラジェリンは、免疫学的な観点から見ると、特に特殊な常在菌抗原である。Toll-like receptor（TLR）ファミリーの2つのメンバーであるTLR5とTLR11（Mathurら、2012、Hayashiら、2001）、そして細胞質自然免疫受容体Naip5（von Moltkeら、2013）である。これらの異なる受容体を介したシグナル伝達は、炎症性遺伝子の誘導、抗原提示の促進、インフラマソームの活性化など、異なる機能的結果をもたらす。

フラジェリン自体の免疫認識が、腸内細菌叢によるこのタンパク質の発現を制限するために必要かどうかを検証するために、Cullenderら（2013）は、TLR5欠損マウスを使用しています。驚くべきことに、彼らは、TLR5欠損マウスの糞便内容物中のフラジェリンレベルの上昇と、それに伴うフラジェリン特異的IgA抗体の減少を見いだした。TLR5欠損マウスの一部は、自然発症の大腸炎を起こすことが分かっている（Vijay-Kumar et al. 著者らは、大腸炎を誘発する化学物質であるデキストラン硫酸ナトリウム（DSS）をマウスに投与することで、このあまり面白くないシナリオを除外している。その結果、DSS投与マウスでは、フラジェリンレベルの上昇も抗フラジェリンIgAの減少も認められなかった。

次に著者らは、TLR5欠損マウスにおけるフラジェリンレベルの増加が、フラジェリンを発現する特定の細菌群のアウトグロースによって説明できるかどうかを検討した。16S配列決定により、野生型とTLR5欠損型の微生物叢の全体的な構成はよく似ていることが示されたが、比較メタゲノム解析により、TLR5欠損マウスの微生物叢に過剰発現している一群の遺伝子が同定された。これらの遺伝子のサブセットは、鞭毛の形成に関与するタンパク質をコードしており、TLR5欠損マウスにおけるフラジェリンレベルの上昇は、特定の細菌分類群の相対量の変化ではなく、遺伝子発現の変化に起因していることが示唆された。これらの実験を補完するために、著者らは、無菌の野生型および抗体欠損（RAG1-/-）動物に、運動性のない2種類の微生物（B. adolescentisとB. thetaiotaomicron）と運動性のある1種類の大腸菌を接種する還元主義アプローチを採った。その結果、大腸菌のコロニー形成レベルが同じであるにもかかわらず、抗体欠損マウスでは内腔フラジェリン濃度が上昇することが確認され、これまでのデータと整合的であった。これらの結果は、フラジェリン特異的IgAがマイクロバイオーム内の細菌の運動性に必要な遺伝子のダウンレギュレーションを媒介することを示唆している。実際、抗フラジェリン抗体の添加は、いくつかのin vitroアッセイにおいて、フラジェリンの発現および細菌の運動性を低下させるのに十分であった。

最後に、Cullenderらは、蛍光活性化セルソーティングを用いて、野生型とTLR5欠損型の両方でIgAと結合する常在菌種を分離・同定している。彼らは、TLR5欠損マウスの内腔から分離したFirmicutesおよびProteobacteriaの鞭毛虫微生物に対するIgAの結合が変化していることを見出し、TLR5を介したフラジェリン認識が、これらの常在菌に対する抗体反応を引き起こすのに重要であることを示唆している。重要なのは、TLR5欠損マウスと対照マウスで、IgAと結合した非運動性のバクテロイデス属細菌の割合に差がなかったことである。最後に著者らは、フラジェリン特異的IgAが内腔内の常在菌の空間的局在に与える影響を、蛍光in situハイブリダイゼーションによって解析している。DNAプローブの組み合わせにより、彼らはTLR5欠損マウスの腸管上皮にFirmicutesとγ-Proteobacteriaグループに属する細菌が密接に関連していることを見いだした。この微生物局在パターンは対照動物では観察されず、TLR5依存的な抗フラジェリンIgAの産生が、細菌の腸管粘膜への侵入を防ぐのに十分であることが示された。確かに、TLR5の欠損を利用する特定の細菌種を特定することは、この研究に端を発する刺激的な将来の研究分野であろう。

最終的に、Cullenderらによって報告された知見は、常在菌とそれらが生息する宿主との間の継続的な対話に興味を持つ人々にとって、幅広い関心を引くものである。免疫系は、TLR5を介して、微生物がフラジェリンを発現していることを感知し、IgAを分泌して細菌の運動を抑制することで対抗している（図1）。注目すべきは、TLR5欠損マウスでは抗フラジェリン抗体が全くできないわけではなく、他の経路がこの反応に寄与していることである。この点では、TLR11が有力な候補である。TLR5 と TLR11 は腸管粘膜で異なる発現を示し、TLR5 は主に樹状細胞で発現し、TLR11 の発現は主にマクロファージに限定されています (Uematsu et al., 2008, Mathur et al., 2012)。TLR11によるフラジェリン認識の構造的基盤は未解明であるため、TLR5とTLR11が、異なる常在菌群に対する応答を可能にする、異なる微細な特異性を有することが正式に考えられます。そのため、TLR11は、特定のα-およびε-プロテオバクテリア種など、TLR5の認識を回避した常在菌に対する反応を引き出すために重要である可能性があります（Andersen-Nissenら、2005年）。これらのTLR以外にも、LPSのような他のTLRリガンドによる免疫系の活性化は、効率は低下するものの、関連するフラジェリン抗原に対する反応を引き起こすのに十分であると思われる。

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図1. TLR5を介したIgAの誘導は細菌の運動を制限する

TLR5シグナルが機能している宿主では、フラジェリン特異的IgAが内腔に分泌され、常在菌の運動を制限し、腸粘膜との結合を防ぐように働いている。TLR5欠損マウスでは、抗フラジェリン抗体が産生されないため、微生物種によるフラジェリン発現が増加し、腸管上皮への常在菌の結合が促進される。

フラジェリン特異的B細胞がどのように活性化されるのかについても、未解決のままである。B細胞の活性化は、フラジェリン特異的CD4+T細胞がフラジェリン特異的B細胞を助け、その活性化とIgA抗体の分泌を引き起こすというT細胞依存的な様式で起こる可能性がある。このT細胞依存的な抗体反応は、多くのタンパク質抗原に対する高親和性抗体の産生に重要である。このシナリオでは、TLR5の要件は、少なくとも部分的には、効率的な抗原提示の必要性に起因すると推定される。あるいは、B細胞による抗フラジェリン抗体の分泌は、T細胞非依存的に誘導される可能性もあります。T非依存的（TI）タイプI抗原、すなわち「マイトジェン」は、TLRのような活性化受容体に結合してB細胞の増殖を直接誘導することによって働く。一方、TIタイプII抗原は、B細胞受容体を広範に架橋してB細胞の活性化を誘導する。フラジェリンは、両方のタイプのTI型抗原の性質を併せ持つ、特に興味深いB細胞抗原である。フラジェリンモノマーはTLRを刺激する能力からマイトジェニックであり、フラジェリンポリマーはTI-II抗原として作用することができる。興味深いことに、健康なマウスでは、常在菌由来のフラジェリンに対するT細胞応答が検出されない（Hand et al.

微生物側では、この研究は、常在菌が宿主に適応するメカニズムの1つを実証しています。著者らは、TLR5を介したフラジェリンの認識により、微生物群全体として鞭毛運動遺伝子のダウンレギュレーションが起こることを明確に示している。これらの微生物が、このフラジェリン特異的反応の存在をどのように感知しているかは不明である。1つの説明として、ある時期に、ある割合の細菌が鞭毛を発現し、他の細菌は位相差により発現していないことが考えられる。もし、フラジェリン発現微生物にIgAが結合すると、運動性の低下以上に微生物の体力が低下するとすれば、これらの抗体はフラジェリンを発現していない常在菌の増殖を促進する可能性がある。あるいは、フラジェリン発現細菌がIgA結合を感知して（おそらく鞭毛装置の故障を感知して）、細胞レベルでフラジェリンのダウンレギュレーションを引き起こすのかもしれない。なぜ微生物群の大部分は、コロニー形成時にフラジェリン遺伝子がダウンレギュレートされるにもかかわらず、フラジェリンを発現する能力を保持しているのだろうか？常在菌特異的IgA抗体は微生物叢に反応して直接誘導されるが、これらの抗原に特異的なIgA分泌B細胞は出生時には存在しない。したがって、細菌の運動性は、特定の種が最初にコロニーを形成する際、あるいはその他の変化する時期に、その適性にとって特に重要である可能性がある。

優れた研究は、答えと同じくらい多くの疑問を投げかけることがよくあるが、Cullenderらによる今回の研究（2013年）も例外ではない。この研究は、微生物の認識が常在菌特異的な抗体の産生につながるメカニズムの1つを明らかにすることで、宿主と常在菌の間の複雑な対話を浮き彫りにしているのである。

参考文献
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引用元: (2)
粘液構造と表面近傍の遊泳が、マウス腸管に沿ったサルモネラ・チフスムリウムの異なる感染パターンに影響する
2019年、セルレポート
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共通可変性免疫不全症（CVID）患者は、健康な同居人よりも高い腸内細菌の多様性と低存在遺伝子のレベルを示す
2021, 免疫学フロンティア