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The significance of microbiota-immune system interactions for the induction of inflammation

Ninnemann, Justus Hubert Bernd

FG Zytometrie

The microbiota comprises all living microorganisms colonizing the external and internal surfaces of the human body, such as the oral cavity and the intestinal tract, with the majority belonging to the kingdom of bacteria. Besides playing a vital role in various aspects affecting human health like providing metabolites by breaking down indigestible fibers, preventing the outgrowth of pathogens and supporting the development of the immune system, the intestinal microbiota is associated with inflammatory diseases like Ankylosing Spondylitis (AS) but also respiratory viral infections like COVID-19. One of the mechanisms controlling the intestinal microbiota composition is mediated by immunoglobulin A (IgA) antibodies, produced by plasma cells (PCs) residing in the intestinal lamina propria (LP). Even though it is known that PCs build a heterogeneous population within the LP based on the expression of Ly6C, the relationship between the different subsets remains to be clarified. In order to understand if the expression of Ly6C reflects developmental differences, the transcriptome of Ly6C+ and Ly6C- IgA+ cells was determined by bulk RNA sequencing, which revealed an increased expression of Sca-1 in Ly6C+ IgA+ cells, that could be additionally confirmed by flow cytometry analysis. Together with the decreased expression of cell cycle related genes and the ability of Ly6C- PCs to acquire Ly6C and Sca-1 expression, these results show, that Sca-1+Ly6C+ PCs represent a differentiated subset of IgA secreting PCs. Further, the origin of SARS-CoV-2 specific antibodies in unexposed individuals was determined. While it is suggested, that cross-reactive antibodies from healthy individuals are derived from common cold coronaviruses, we identified Streptococcus salivarius a member of the intestinal and oral microbiota as a source for cross-reactive IgA antibodies at mucosal surfaces. Neutralizing anti-RBD IgG antibodies isolated from hospitalized COVID-19 patients sera bind to S. salivarius and the oral and fecal microbiota of severe COVID-19 cases was altered compared to healthy individuals, characterized by a decrease in Streptococcus species as revealed by 16S rRNA gene sequencing. These findings show the involvement of commensal microbes in inducing cross-reactive SARS-CoV-2 RBD specific antibodies at mucosal surfaces. Finally, we observed by microbiota flow cytometry that the fecal microbiota of AS patients displayed decreased frequencies of viable bacteria and the analysis of the live and dead bacteria compartment in addition to the bulk fecal sample revealed novel, disease-associated bacterial taxa, highlighting the need for a differentiated examination of the fecal microbiota. Altogether, the data obtained in this work deepen the understanding of the mutualistic relationship between the microbiota and the immune system in respiratory viral infection and chronic auto-inflammatory conditions.
Die Mikrobiota umfasst alle lebenden Mikroorganismen, die die äußeren und inneren Oberflächen des menschlichen Körpers, wie die Mundhöhle und den Darmtrakt, besiedeln, wobei die meisten zum Reich der Bakterien gehören. Die Darmmikrobiota spielt nicht nur eine wichtige Rolle bei verschiedenen Aspekten der menschlichen Gesundheit wie der Bereitstellung von Stoffwechselprodukten durch den Abbau unverdaulicher Fasern, der Verhinderung des Wachstums von Krankheitserregern und der Unterstützung der Entwicklung des Immunsystems, sondern wird auch mit entzündlichen Erkrankungen wie Spondylitis ankylosans, aber auch mit Virusinfektionen der Atemwege wie COVID-19 in Verbindung gebracht. Einer der Mechanismen, der die Zusammensetzung der Darmmikrobiota steuert, wird durch Immunglobulin A (IgA)-Antikörper vermittelt, die von Plasmazellen (PC) produziert werden, die sich in der Lamina propria (LP) des Darms befinden. Obwohl bekannt ist, dass die PCs eine heterogene Population innerhalb der LP bilden, die unterscheidbar ist auf Grund der Expression von Ly6C, ist die Beziehung zwischen den verschiedenen Untergruppen bisher ungeklärt. Um zu verstehen, ob die Expression von Ly6C entwicklungsbedingte Unterschiede widerspiegelt, wurde das Transkriptom von Ly6C+ und Ly6C- IgA+ Zellen mittels Bulk-RNA-Sequenzierung bestimmt, die eine erhöhte Expression von Sca-1 in Ly6C+ IgA+ Zellen ergab, was zusätzlich durch eine Durchflusszytometrie-Analyse bestätigt werden konnte. Zusammen mit der verminderten Expression zellzyklusbezogener Gene und der Fähigkeit von Ly6C- PCs, Ly6C und Sca-1 Expression zu erwerben, zeigen diese Ergebnisse, dass Sca-1+Ly6C+-PCs eine differenziertere Untergruppe von IgA-sezernierenden PCs darstellen. Außerdem wurde der Ursprung der SARS-CoV-2-spezifischen Antikörper bei nicht exponierten Personen bestimmt. Während angenommen wird, dass kreuzreaktive Antikörper von gesunden Personen von Erkältungs-Coronaviren stammen, identifizierten wir Streptococcus salivarius, ein Mitglied der intestinalen und oralen Mikrobiota, als Quelle für kreuzreaktive IgA-Antikörper an Schleimhautoberflächen. Neutralisierende Anti-RBD-IgG-Antikörper, die aus Seren von hospitalisierten COVID-19-Patienten isoliert wurden, binden an S. salivarius, und die orale und fäkale Mikrobiota von schweren COVID-19-Fällen war im Vergleich zu gesunden Personen verändert, gekennzeichnet durch eine Abnahme von Streptococcus-Spezies, wie durch 16S rRNA Gen-Sequenzierung nachgewiesen wurde. Diese Ergebnisse zeigen die Beteiligung kommensaler Mikroben an der Induktion kreuzreaktiver SARS-CoV-2 RBD-spezifischer Antikörper an Schleimhautoberflächen. Schließlich beobachteten wir mittels Mikrobiota-Durchflusszytometrie, dass die fäkale Mikrobiota von AS-Patienten einen verringerten Anteil lebensfähiger Bakterien aufwies, und die Analyse des Kompartiments lebender und toter Bakterien zusätzlich zur fäkalen Gesamtprobe ergab neue, krankheitsassoziierte Bakterientaxa, was die Notwendigkeit einer differenzierten Untersuchung der fäkalen Mikrobiota unterstreicht. Insgesamt vertiefen die in dieser Arbeit gewonnenen Daten das Verständnis der wechselseitigen Beziehung zwischen der Mikrobiota und dem Immunsystem bei Virusinfektionen der Atemwege und chronischen autoinflammatorischen Zuständen.