Re: Gut-associated lymphoid tissue: a microbiota-driven hub of B cell immun

[문형철]

마이크로바이옴, 
그러니까 장내 미생물 군집과 B세포 면역의 상호작용을 공간 전사체학 관점에서 설명해 볼게요.

일단 공간 전사체학이라는 건, 
조직 내에서 각각의 세포 위치와 그 세포 안에서 어떤 유전자들이 발현되는지를 
동시에 보여주는 기술이에요. 


이걸 통해 GALT 같은 림프 조직 안에서 
B세포들이 정확히 어디에 분포하고, 
어떤 미생물 신호에 반응하는지 드러낼 수 있습니다.

예를 들어, 특정 미생물이 장 점막에 존재할 때, 
그 근처 GALT 영역에서 B세포들이 활성화되고, 
특정 항체 유전자를 발현하는 과정을 관찰할 수 있는 거죠.

이렇게 얻은 데이터를 바탕으로 
미생물과 B세포 면역의 상호작용을 더 정밀하게 파악할 수 있고, 
예를 들면 어떤 미생물이 B세포로 하여금 더 많은 IgA를 만들게 하는지, 
또 어떤 공간적 패턴으로 면역 반응이 조절되는지 볼 수 있습니다.

Trends Immunol

. 2024 Mar;45(3):211–223. doi: 10.1016/j.it.2024.01.006

Gut-associated lymphoid tissue: a microbiota-driven hub of B cell immunity

Mats Bemark 1,2,⁎,@, Michael J Pitcher 3, Chiara Dionisi 3, Jo Spencer 3,4,⁎,@

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PMCID: PMC11227984  PMID: 38402045

Highlights

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포유류의 장 관련 림프 조직(GALT)은 생애 전반에 걸쳐 장내 미생물에 의해 지속적으로 활성화됩니다.

Mammalian gut-associated lymphoid tissue (GALT) is chronically activated by the intestinal microbiota throughout life.

GALT는 생식 센터에서 B 세포를 증식 및 선별하며, 여기에는 T 세포 독립적 탄수화물 항원을 인식하는 B 세포도 포함됩니다.

GALT propagates and selects B cells in germinal centers, including B cells recognizing T-cell-independent carbohydrate antigens.

GALT는 인간을 포함한 소위 GALT 종에서 전신 B 세포의 발달을 지원합니다.

GALT supports the development of systemic B cells in the so-called GALT species, including humans

인간의 경우, GALT는 혈액 내 순환하며 대부분 비장에 거주하고 폐를 보호할 수 있는 선천성 유사 변연부 B 세포의 발달을 지원합니다.

In humans, GALT supports the development of innate-like marginal zone B cells that circulate in blood, mostly reside in the spleen, and can protect the lungs

Significance

Gut-associated lymphoid tissue (GALT) is located throughout the gastrointestinal tract and is indispensable for the maintenance of gut homeostasis and human health. Recent advances increase our understanding of B cell responses to microbiota in GALT that can generate antibodies to antigens often shared by microbiota species, including T cell independent, yet germinal-center-matured responses. Indeed, chronic stimulation of GALT B cells generates a niche for B cell maturation and propagation in some species, including marginal zone B cells in humans.

의의

장 관련 림프 조직(GALT)은

위장관 전체에 위치하며

장 항상성 유지와 인간 건강에 필수적이다.

최근 연구 진전은

GALT 내 미생물군집에 대한 B 세포 반응에 대한 이해를 높였는데,

이는 미생물군집 종들이 공유하는 항원에 대한 항체를 생성할 수 있으며,

T 세포 독립적이면서도 생식소 중심에서 성숙된 반응을 포함한다.

실제로 GALT B 세포의 지속적인 자극은

인간에서 주변 영역 B 세포를 포함한 일부 종에서

B 세포 성숙 및 증식을 위한 틈새를 생성합니다.

Abstract

The diverse gut microbiota, which is associated with mucosal health and general wellbeing, maintains gut-associated lymphoid tissues (GALT) in a chronically activated state, including sustainment of germinal centers in a context of high antigenic load. This influences the rules for B cell engagement with antigen and the potential consequences. Recent data have highlighted differences between GALT and other lymphoid tissues. For example, GALT propagates IgA responses against glycans that show signs of having been generated in germinal centers. Other findings suggest that humans are among those species where GALT supports the diversification, propagation, and possibly selection of systemic B cells. Here, we review novel findings that identify GALT as distinctive, and able to support these processes.

초록

점막 건강 및 전반적인 웰빙과 연관된 다양한 장내 미생물군은

높은 항원 부하 환경에서

생식 중심의 유지를 포함하여

장 관련 림프 조직(GALT)을 지속적으로 활성화된 상태로 유지합니다.

이는

B 세포의 항원 접촉 규칙과 잠재적 결과에 영향을 미친다.

최근 연구는

GALT와 다른 림프조직 간의 차이를 부각시켰다.

예를 들어,

GALT는 생식소 내에서 생성된 흔적을 보이는 당단백질에 대한

IgA 반응을 증식시킨다.

다른 연구 결과는

인간을 포함한 일부 종에서 GALT가

전신 B 세포의 다양화, 증식 및 선택을 지원할 수 있음을 시사한다.

본고에서는

GALT를 독특한 조직으로 규정하고

이러한 과정을 지원할 수 있음을 입증하는 새로운 연구 결과를 검토한다.

https://www.nature.com/articles/s41385-021-00389-4

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The diverse gut microbiota, which is associated with mucosal health and general wellbeing, maintains gut-associated lymphoid tissues (GALT) in a chronically activated state, including sustainment of germinal centers in a context of high antigenic load. This influences the rules for B cell engagement with antigen and the potential consequences. Recent data have highlighted differences between GALT and other lymphoid tissues. For example, GALT propagates IgA responses against glycans that show signs of having been generated in germinal centers. Other findings suggest that humans are among those species where GALT supports the diversification, propagation, and possibly selection of systemic B cells. Here, we review novel findings that identify GALT as distinctive, and able to support these processes.

점막 건강 및 전반적인 웰빙과 연관된 다양한 장내 미생물군은

장 관련 림프조직(GALT)을 만성적으로 활성화된 상태로 유지하며,

이는 높은 항원 부하 환경에서도 생식중심(germinal center)의 지속을 포함한다.

이는 B 세포가 항원과 상호작용하는 방식과 잠재적 결과에 영향을 미친다.

최근 연구 결과는

GALT와 다른 림프 조직 간의 차이를 부각시켰다.

예를 들어,

GALT는 생식소 내에서 생성된 흔적이 있는

당단백질에 대한 IgA 반응을 증폭시킨다.

다른 연구 결과는

인간을 포함한 일부 종에서 GALT가 전신 B 세포의 다양화,

증식 및 선택을 지원할 수 있음을 시사한다.

본고에서는 GALT가

이러한 과정을 지원할 수 있는 독특한 조직임을 규명한 새로운 연구 결과를 검토한다.

GALT in intestinal and systemic immunity

The importance of gut-associated lymphoid tissue (GALT) (see Glossary) for the maintenance of health has been known for decades [1]. Despite its small size relative to that of the gastrointestinal tract, GALT maintains homeostasis by sustained generation of immune effector cells that disseminate through the full length of the gut [1]. Here, we discuss the unique features of GALT and its interactions with microbiota that support the production of distinctive antibody specificities, and how the same niche can support the development of subsets of systemic B cells in some species, including mediators of rapid systemic immunity to T-independent (TI) antigens in humans [2]. Progress in this field is being enhanced by the availability of technologies allowing in depth-analysis of small and often inaccessible tissues (Box 1 and Figure 1).

장 및 전신 면역에서의 GALT

장 관련 림프 조직(GALT)(용어집 참조)이

건강 유지에 중요하다는 사실은 수십 년간 알려져 왔다[1].

위장관에 비해 크기는 작지만,

GALT는

장 전체를 통해 확산되는 면역 효과 세포를 지속적으로 생성함으로써

항상성을 유지한다[1].

본고에서는 GALT의 독특한 특징과 미생물군집과의 상호작용이

어떻게 특이적인 항체 특이성 생성을 지원하는지,

그리고 동일한 미세환경이 일부 종에서

전신 B 세포 하위 집단의 발달을 어떻게 지원할 수 있는지 논의한다.

여기에는 인간에서 T-독립성(TI) 항원에 대한

신속한 전신 면역의 매개체도 포함된다[2].

이 분야의 진전은

작고 접근이 어려운 조직을 심층 분석할 수 있는 기술의 가용성으로 가속화되고 있다 (박스 1 및 그림 1).

Box 1. Multiplexed technologies can enrich our understanding of GALT.

Single cell transcriptomics

Functional studies of human GALT have been confounded by the small size of the regions of interest and difficulty in accessing tissues that can be invisible to the naked eye in humans. However, recent advancements in technologies and analytical methods have helped to overcome some of these challenges. Single-cell transcriptomics methods, such as scRNA-seq, have allowed unbiased characterization of immune cells within GALT of mice and humans [73]. Inclusion of antibody variable region gene sequencing for each cell allows the analysis of clonal relationships and has been used to identify clonal dissemination between GALT and other lymphoid organs [62].

박스 1. 다중 분석 기술은 GALT에 대한 이해를 심화시킬 수 있다.

단일 세포 전사체학

인간 GALT의 기능 연구는

관심 영역의 작은 크기와 육안으로 보이지 않는 조직 접근의 어려움으로 인해 복잡해졌다.

그러나

최근 기술 및 분석 방법의 발전은

이러한 도전 과제 일부를 극복하는 데 기여했다.

scRNA-seq과 같은 단일 세포 전사체학 방법은

생쥐와 인간의 GALT 내 면역 세포를 편향 없이 특성화할 수 있게 했다[73].

각 세포에 대한 항체 가변 영역 유전자 시퀀싱을 포함함으로써

클론적 관계를 분석할 수 있으며,

GALT와 다른 림프 기관 사이의 클론적 확산을 확인하는 데 사용되었다 [62].

Cell surface imaging

Recent and ongoing advancements in imaging techniques enable viewing of the spatial GALT structure. Imaging mass cytometry (IMC) exploits cytometry by time-of-flight techniques such as CyTOF and imaging mass cytometry, allowing the digital capture of more than 40 antibody-labeled proteins in tissue sections; it has been utilized to computationally dissect lymphoid tissue structures (see Figure 1 in main text). It has also been applied to study appendiceal dysbiosis in the context of human pancreatic cancer [74], visualize the development of human fetal intestinal immunity [75], as well as profile and localize B cell subsets in human GALT [18].

세포 표면 이미징

이미징 기술의 최근 및 지속적인 발전으로 GALT의 공간적 구조를 관찰할 수 있게 되었다. 이미징 질량 세포계측법(IMC)은 CyTOF 및 이미징 질량 세포계측법과 같은 비행시간법(TOF)을 활용한 세포계측법을 활용하여 조직 절편 내 40개 이상의 항체 표지 단백질을 디지털로 포착할 수 있게 하며, 이는 림프 조직 구조를 계산적으로 분석하는 데 활용되었다 (본문 그림 1 참조). 또한 인간 췌장암 맥락에서 맹장 내 미생물 불균형 연구[74], 인간 태아 장 면역 발달 시각화[75], 인간 GALT 내 B 세포 하위 집단의 프로파일링 및 국소화[18]에도 적용되었다.

RNAScope

IMC can also be supported by the analysis of gene expression‎ using the RNAScope in situ hybridization assay to detect specific RNA [75]. This technique has profiled the infection of epithelial cells in the human small intestine by norovirus [76], and cells in the gut infected by SIV in nonhuman primates [77]. By integrating RNAScope methods into IMC panels to confirm‎ low resolution spatial transcriptomics at a single cell level, we have visualized the expression‎ of the SLE autoantigen DNASE1L3 by LysoDC in the microanatomical context of the GALT SED in humans; the preliminary results which remain to be validated show contrasts in the distribution of DNASE1L3 in mice [18].

RNAScope

IMC는

특정 RNA를 검출하는 RNAScope in situ 하이브리다이제이션 분석을 통한

유전자 발현 분석으로도 지원될 수 있습니다[75].

이 기술은

인간 소장 상피세포의 노로바이러스 감염[76] 및 비인간 영장류의

장내 SIV 감염 세포[77]를 프로파일링했습니다.

RNAScope 방법을 IMC 패널에 통합하여

단일 세포 수준에서 저해상도 공간 전사체학을 확인함으로써,

우리는 인간 GALT SED의 미세해부학적 맥락에서

리소좀성 대식세포(LysoDC)에 의한 SLE 자가항원 DNASE1L3의 발현을 시각화했습니다.

아직 검증되어야 할 예비 결과는

생쥐와 인간에서 DNASE1L3 분포의 대조를 보여줍니다 [18].

Spatial transcriptomics

Even when combined with RNAScope, imaging techniques such as IMC are limited in the number of markers they can include. They fail to capture the vast transcriptomic heterogeneity within lymphoid cells and the potential associations of immune cells with the stroma. Spatial transcriptomics combines the high dimensionality of scRNA-seq with the spatial insights gained from imaging techniques [78]. This can incorporate spatial information of B and T cell receptor clone signatures. These technologies allow the capture of genes at a resolution of ~55 μm, with each spot capturing 1–10 cells depending on cell size and location [79]. Advancements in resolution that allow the spatial capture of gene expression‎ in single cells have been used to study cellular heterogeneity and location in the healthy intestine and in inflammatory bowel disease in humans [80,81]. We anticipate that increased availability of such methods and further refinement of computational platforms on which to analyze data may propel the next generation of advances in this field.

공간적 전사체학

RNAScope와 결합하더라도 IMC와 같은 이미징 기술은

포함할 수 있는 마커 수에 한계가 있습니다.

이는 림프구 세포 내 방대한 전사체적 이질성과

면역 세포와 기질의 잠재적 연관성을 포착하지 못합니다.

공간적 전사체학은

scRNA-seq의 고차원성과 이미징 기술에서 얻은

공간적 통찰력을 결합합니다 [78].

이를 통해

B 및 T 세포 수용체 클론 시그니처의

공간 정보를 통합할 수 있습니다.

이러한 기술은 세포 크기와 위치에 따라

각 스팟이 1~10개의 세포를 포착하는

약 55μm의 해상도로 유전자를 포착할 수 있게 합니다 [79].

단일 세포에서 유전자 발현을 공간적으로 포착할 수 있는 해상도 발전은

건강한 장과 인간의 염증성 장 질환에서

세포 이질성과 위치를 연구하는 데 활용되었습니다[80,81].

이러한 방법의 접근성 향상과

데이터 분석을 위한 계산 플랫폼의 추가 정교화가

이 분야의 차세대 발전을 촉진할 것으로 기대됩니다.

Alt-text: Box 1

Figure 1.

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Example pipeline for processing image data.

An example pipeline for processing image data using an imaging mass cytometry example is shown. (A) Raw image files for each region of interest (ROI) are extracted, including cell membrane markers and DNA interlocutor. (B) ROIs are segmented using the image files from (A) to determine cell boundaries within the ROI. (C) Cell measurements are taken including the marker intensity for each cell [from images in (A) and cell boundaries in B)] and cell neighbors based on cell–cell proximities. (D) Cells are assigned identities based on their marker intensities from (C) using, for example, dimensionality reduction and clustering based on key markers. (E) Further analysis is performed, for example visualization of computationally derived cell types back on ROIs and neighborhood analysis finding patches containing similar cell–cell interactions based on assigned phenotypes from (D) and neighbors from (C).

이미징 질량 세포계측법(IMCS)을 활용한 이미지 데이터 처리 예시 파이프라인을 보여줍니다.

(A) 세포막 마커 및 DNA 인터로커터를 포함한 각 관심 영역(ROI)의 원본 이미지 파일을 추출합니다.

(B) (A)의 이미지 파일을 사용하여 ROI를 분할하여 ROI 내 세포 경계를 결정합니다.

(C) 각 세포의 마커 강도[이미지 (A) 및 세포 경계 (B)에서 추출]와 세포-세포 근접성에 기반한 세포 이웃을 포함한 세포 측정을 수행합니다. (D) (C)의 마커 강도를 기반으로, 예를 들어 핵심 마커를 활용한 차원 축소 및 클러스터링을 통해 세포에 정체성을 할당합니다.

(E) 추가 분석을 수행합니다.

예를 들어, (D)에서 할당된 표현형과 (C)의 이웃 세포를 기반으로 계산적으로 도출된 세포 유형을 ROI에 다시 시각화하고, 유사한 세포 간 상호작용을 포함하는 패치를 찾는 근접성 분석을 수행합니다.

GALT and antigen sampling

Mammalian GALT is organized lymphoid tissue that sits in foci adjacent to the epithelium throughout the gut. In many species, including humans, it is most abundant in the Peyer’s patches (PPs) of the terminal ileum [1,3,4]. Structurally, GALT superficially resembles lymph nodes and palatine tonsils. All have B cell follicles and associated T cell zones containing high endothelial venules through which blood lymphocytes can extravasate and segregate along chemokine gradients to form B cell and T cell zones. However, unlike lymph nodes, GALT and palatine tonsils have no capsule and no afferent lymphatics and thus, the way antigens enter and are detected varies [4., 5., 6.]. GALT differs from palatine tonsils in the structure of the epithelial boundary between the lymphoid tissue and the external tissues of the body. While this boundary is pseudostratified in palatine tonsils [5], it is a single-cell-thick barrier in GALT termed the follicle-associated epithelium (FAE) that includes antigen-sampling microfold (M) cells [7]. Also, in terms of cell traffic, human GALT recruits cells expressing the α4β7 integrin via the mucosal endothelial addressin MAdCAM1 [8,9], while the palatine tonsils do not – the latter being more dependent on recruitment via the peripheral node addressin (PNAd) than the former [5,10].

Lymphatics that drain nonmucosal barrier sites such as skin deliver antigen-loaded dendritic cells (DCs) as well as free antigen into lymph nodes via afferent lymphatics that drain into the subcapsular sinus [6]. However, as long as there is no breach of the skin barrier, no foreign antigens are transferred and thus, peripheral lymph nodes are usually sterile and immunologically inactive [6]. Similarly, the spleen that encounters antigens present in blood will mostly be sterile and quiescent [11]. In contrast, GALT, palatine tonsil, and lymph nodes that drain mucosal surfaces will constantly encounter foreign structures from commensal microbiota and infective pathogens, as well as ingested or inhaled antigens. This results in constant encounters between immune cells and antigens, resulting in ongoing immune responses including the formation of germinal centers (GCs) [12] that shape the commensal microbiota as well as the responses to pathogen invasion [7,13].

GALT 및 항원 샘플링

포유류의 GALT(장 관련 림프 조직)는

장 전체에 걸쳐 상피에 인접한 초점에 위치한

조직화된 림프 조직입니다.

https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-3-319-28609-9_14

장 관련 림프 조직(GALT)은 소화관 전체에 걸쳐 있는 거대한 면역 조직이고, 
그 안에 페이어판이라는 특수한 림프 조직이 소장 점막에 존재.

페이어판은
B세포 덩어리, M세포, T세포 등을 포함하며, 장내 세균에 대한 면역 반응을 담당.

그리고 림프절 안의 배중심은
B세포를 활성화시켜 형질세포로 분화시키는 역할

인간을 포함한 많은 종에서,

이는 말단 회장부의 페이어 패치(PPs)에 가장 풍부하게 존재한다 [1,3,4].

구조적으로, GALT는

표면적으로 림프절 및 구개 편도와 유사하다.

모두 B 세포 여포와 혈액 림프구가

화학유인물질 농도 차를 따라 유출 및 분리되어

B 세포 및 T 세포 영역을 형성할 수 있는 고내피 정맥을 포함하는

연관 T 세포 영역을 지닌다.

그러나

림프절과 달리 GALT와 구개 편도에는

캡슐과 유입 림프관이 없어 항원이 유입되고 감지되는 방식이 다릅니다[4., 5., 6.].

GALT는

림프 조직과 신체 외부 조직 사이의 상피 경계 구조에서 구개 편도와 다릅니다.

구개 편도에서는 이 경계가 가층상 상피[5]인 반면,

GALT에서는 소엽 관련 상피(FAE)라 불리는 단일 세포 두께의 장벽으로,

항원 샘플링을 담당하는 미세주름(M) 세포를 포함합니다[7].

또한 세포 이동 측면에서, 인간 GALT는

점막 내피 주소인 MAdCAM1을 통해 α4β7 인테그린을 발현하는 세포를 모집하는 반면 [8,9],

구개편도는 그렇지 않습니다.

후자는 전자의 경우보다

말초 림프절 주소인(PNAd)을 통한 모집에 더 의존합니다 [5,10].

피부와 같은 비점막 장벽 부위를 배액하는 림프관은

항원 부하 수지상 세포(DC)와 자유 항원을 아페런트 림프관을 통해

피막하 부비동으로 배액하여 림프절로 전달한다[6].

그러나

피부 장벽이 손상되지 않는 한 외래 항원이 전달되지 않으므로,

말초 림프절은 일반적으로 무균 상태이며 면역학적으로 비활성이다[6].

마찬가지로 혈액 내 항원을 접하는

비장도 대부분 무균 상태이며 비활성 상태를 유지한다[11].

반면

점막 표면을 배액하는

GALT(장관연관림프조직),

구개편도,

림프절은

공생 미생물군과 감염성 병원체로부터 유래한

이물질 구조물, 그리고 섭취되거나 흡입된 항원을 지속적으로 접하게 된다.

In contrast, GALT, palatine tonsil, and lymph nodes that

drain mucosal surfaces will constantly encounter foreign structures

from commensal microbiota and infective pathogens,

as well as ingested or inhaled antigens. 

이로 인해

면역 세포와 항원 간의 지속적인 접촉이 발생하며,

이는 공생 미생물군집을 형성하고 병원체 침입에 대한 반응을 조절하는

생식소(GCs) [12]의 형성을 포함한 지속적인 면역 반응을 초래합니다 [7,13].

The unique cellular composition of the subepithelial dome

Antigen sampled from the gut lumen via the FAE, either by M cells or DCs that extend dendrites through the FAE, arrives in the subepithelial dome region (SED) of the follicle [4,14]. In addition to B cells and sparse T cells, the SED includes several myeloid cell populations, including classical DCs (cDCs) and macrophages, as well as cells termed LysoMacs and LysoDCs containing microbicides such as lysozyme and NOX2 that can kill bacteria and similarly to cDCs can present antigen to T cells [7,12,15., 16., 17.]. Preliminary data which remains to be validated indicates that they also express the enzyme DNASE1L3 that ensures that pathogenic microbial DNA is also removed (in preprint) [18]. Thus, LysoDCs potentially ensure that live bacteria sampled from the gut lumen, including shared self-antigens such as DNA that may help trigger B cell activation thorough binding to Toll-like receptors (TLRs), do not persist in the host below this cellular and enzymatic barrier [17,19].

Where and how B cells in GALT encounter antigens and the consequences of the encounter are important to consider because this will shape the B cell response and the ability of the cell to present antigen peptides to T cells. As B cells interact with the external surfaces of antigens through their B cell receptor (BCR), they need to encounter intact antigen. Bacteria can indeed be detected within the SED where they exist alongside DC subsets, able to kill them and dispose of the debris [17,18]. It would therefore seem logical to presume that B cell encounters with antigens from the gut lumen should occur early and before bacteria reach the barrier of microbicidal LysoDCs. B cells are present on the front line of SED, including within the epithelium where they could logically encounter native antigen [20,21] (Figure 2, Key figure).

상피하 돔의 독특한 세포 구성

FAE를 통해 장 내강에서 샘플링된 항원은,

FAE를 통해 수상돌기를 뻗은 M 세포나 DC에 의해

모낭의 상피하 돔 영역(SED)에 도달합니다 [4,14].

B 세포와 소수의 T 세포 외에도,

SED에는 고전적 DC(cDC) 및 대식세포를 포함한 여러 골수성 세포 집단과,

리소자임 및 NOX2와 같은 미생물 살균 물질을 함유하여 박테리아를 사멸시킬 수 있고

cDC와 유사하게 T 세포에 항원을 제시할 수 있는

리소맥스(LysoMacs) 및 리소DC(LysoDCs)로 불리는 세포들이 포함됩니다 [7,12,15., 16., 17.]

검증이 필요한 예비 데이터에 따르면,

이 세포들은 병원성 미생물 DNA도 제거하는 효소 DNASE1L3을

발현하는 것으로 나타났습니다(사전 출판물) [18].

따라서

리소DC는 장 내강에서 채취된 생균(DNA와 같은 공유 자가항원 포함)이

톨 유사 수용체(TLRs)에 결합하여

B 세포 활성화를 유발할 수 있음에도 불구하고,

이 세포 및 효소적 장벽 아래에서 숙주 내에 잔류하지 않도록 잠재적으로 보장한다[17,19].

GALT 내 B 세포가 항원을 접촉하는 위치와 방식,

그리고 그 접촉의 결과는 B 세포 반응과 T 세포에 항원 펩타이드를 제시하는 세포의 능력을 형성하므로

고려해야 할 중요한 사항이다.

B 세포는

B 세포 수용체(BCR)를 통해 항원의 외부 표면과 상호작용하므로,

온전한 항원을 만나야 합니다.

실제로 세균은 SED 내에서 검출될 수 있으며,

이곳에서 DC 하위 집합과 공존하며,

DC에 의해 사멸되고 잔해물이 처리될 수 있습니다[17,18].

따라서

장 내강에서 유래한 항원과의 B 세포 접촉은

세균이 살균성 리소소포식세포(LysoDC)의 장벽에 도달하기 전,

즉 초기 단계에서 발생해야 한다고 가정하는 것이 논리적으로 타당해 보인다.

B 세포는 상피 내부를 포함하여

SED의 최전선에 존재하며,

여기서 자연 항원과 접촉할 수 있다[20,21] (그림 2, 핵심 그림).

Figure 2.

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Key figure.

Layering of B cells in human gut-associated lymphoid tissue (GALT) with a focus on the subepithelial dome (SED).

Schematic representation of human GALT (A) identifying the positions of B cell subsets relative to other key contributors to the follicle-associated epithelium (FAE), which forms the boundary between the microbiota and the host. The germinal center (GC) is a ubiquitous feature of lymphoid tissue in GALT. Surrounding the GC is a zone of naive B cells. This in turn is encircled by the marginal zone and memory B cells. B cells have also been detected in the epithelium [20], where they show expression‎ of Fc receptor-like 4 (FcRL4) [23]. Most B cells adjacent to and within the FAE are double negative (DN) B cells, predominantly of the DN2 subtype, which can accumulate in certain inflammatory and autoimmune diseases [18,25,31,84]. Specialized LysoDCs are present in the SED, where they intermingle with mostly B cells, and handle microbes that are actively sampled by microfold (M) cells in the FAE from the gut lumen [15,17]. LysoDCs contain microbicides and can digest bacterial DNA [16,18]. Above the FAE, secretory IgA-coating bacteria in the gut lumen recognize antigens shared by different species [50], including glycans such as the LPS-O antigen [51]. Areas numbered 1–3 in (A) are illustrated in more detail in (B), along with a description of features that are relevant to this review. This figure was created using Biorender.com.

핵심 그림.

상피하 돔(SED)에 초점을 맞춘 인간 장 관련 림프 조직(GALT) 내 B 세포의 층상 구조.

subepithelial dome (SED).

인간 GALT의 개략도(A).

미생물군과 숙주 사이의 경계를 형성하는

여포 관련 상피(FAE)의 다른 주요 구성 요소들에 대한 B 세포 하위 집합의 위치를 표시함.

follicle-associated epithelium (FAE)

생식중심(GC)은

GALT 내 림프 조직의 보편적 특징이다.

GC 주변에는 미성숙 B 세포 영역이 위치하며,

이는 다시 주변 영역과 기억 B 세포에 의해 둘러싸여 있다.

상피 내에서도 B 세포가 검출되었으며[20],

이들 세포는 Fc 수용체 유사 4(FcRL4) 발현을 보인다[23].

FAE 인접 및 내부의 대부분의 B 세포는 이중 음성(DN) B 세포로,

주로 DN2 하위형이며 특정 염증성 및 자가면역 질환에서 축적될 수 있다[18,25,31,84] .

특수화된 리소좀성 대식세포(LysoDCs)는

주로 B 세포와 혼재하는 SED에 존재하며,

장 내강에서 FAE의 미세주름(M) 세포에 의해 능동적으로 채취된 미생물을 처리한다[15,17].

리소좀성 대식세포는

미생물 살균 물질을 함유하고 있으며

박테리아 DNA를 소화할 수 있다 [16,18].

FAE 위쪽 장 내강에서는 분비형 IgA로

코팅된 박테리아가 LPS-O 항원 같은 당류 [50]를 포함하여

서로 다른 종이 공유하는 항원을 인식한다 [51].

(A)의 1–3번 영역은 (B)에서 본 리뷰와 관련된 특징 설명과 함께 더 상세히 설명됩니다.

이 그림은 Biorender.com을 사용하여 제작되었습니다.

The majority of human B cells in the FAE express Fc receptor-like 4 (FcRL4) that is a member of a family of Ig domain-containing type I membrane proteins (FcRL1–5) [22., 23., 24.]. Preliminary evidence that remains to be validated suggests that most FcRL4+ cells lack or have low expression‎ of the classical marker of memory B cells CD27 and IgD (which is highly expressed in naive B cells) and can therefore be classified as double negative (DN) [18]. DN cells can be divided into DN1 and DN2 cells according to phenotype. DN2 cells have higher expression‎ of CD20 and CD11c, but lower CD21, relative to DN1 cells [25]. Preliminary data suggest that B cells that express FcRL4 and infiltrate the FAE are DN2 [18]. DN2 cells have been reported to accumulate in certain inflammatory and autoimmune diseases such as systemic lupus erythematosus (SLE), and their numbers are thought to increase with age [25., 26., 27., 28., 29., 30.]. A study identifying FcRL4+ B cells in salivary gland ductal epithelium considered the possibility that these cells are components of a proinflammatory response [31]. However, the identification of similar DN2 B cells in normal human GALT epithelium suggests that, although preliminary, this may be normal for B cells infiltrating the mucosal epithelium and is not necessarily a disease-associated feature [18].

FcRL4+ cells in GALT are located in a region of antigenic load that is derived from the gut lumen. The protein can act as a low affinity receptor for aggregated IgA [28]. However, FcRL4 harbors 3 tyrosine-based inhibitory motifs (ITIMs) in its intracellular domain which suggests that it may prevent activation rather than drive a response [32]. Nevertheless, FcRL4-expressing B cells can undergo isotype switching (class switch recombination) to IgA, and express markers of activation, including CD69, CD80 and CD86. With a potential to present antigen, these cells may be active participants in the local immune response [27,28].

Thus, B cells in SED of human GALT have unique features that have been associated with autoinflammatory conditions but are not normally abundant in nonmucosal lymphoid tissues.

FAE 내 대부분의 인간 B 세포는

Ig 도메인을 포함하는 제1형 막 단백질(FcRL1–5) 계열의 일원인

Fc 수용체 유사 단백질 4(FcRL4)를 발현한다 [22., 23., 24.].

검증이 필요한 예비 증거에 따르면,

대부분의 FcRL4+ 세포는

기억 B 세포의 고전적 표지자인 CD27과 (초기 B 세포에서 고도로 발현되는) IgD를 발현하지 않거나

낮은 수준으로 발현하므로 이중 음성(DN)으로 분류될 수 있다[18].

DN 세포는

표현형에 따라 DN1 세포와 DN2 세포로 구분됩니다.

DN2 세포는

DN1 세포에 비해 CD20 및 CD11c 발현은 높지만

CD21 발현은 낮습니다 [25].

예비 데이터에 따르면

FAE에 침윤하는 FcRL4 발현 B 세포는

DN2 세포로 추정됩니다 [18].

DN2 세포는

전신성 홍반성 루푸스(SLE)와 같은 특정 염증성 및 자가면역 질환에서 축적되는 것으로 보고되었으며,

그 수는 연령 증가에 따라 증가하는 것으로 여겨진다 [25., 26., 27., 28., 29., 30.].

타액선 관상피에서 FcRL4+ B 세포를 확인한 연구는

이들 세포가 전염증 반응의 구성 요소일 가능성을 고려하였다[31].

그러나

정상 인간 GALT 상피에서 유사한 DN2 B 세포가 확인된 점은,

비록 예비적이지만, 이는 점막 상피로 침윤하는 B 세포의 정상적 상태일 수 있으며

반드시 질환 관련 특징은 아닐 수 있음을 시사한다[18].

GALT 내 FcRL4+ 세포는 장 내강에서 유래한 항원 부하 영역에 위치한다. 이 단백질은 응집된 IgA에 대한 저친화성 수용체 역할을 할 수 있다[28]. 그러나 FcRL4는 세포내 영역에 3개의 티로신 기반 억제 모티프(ITIMs)를 보유하여 반응을 유도하기보다는 활성화를 방지할 수 있음을 시사한다 [32]. 그럼에도 FcRL4 발현 B 세포는 IgA로의 이소타입 전환(클래스 스위치 재조합)을 겪을 수 있으며, CD69, CD80, CD86 등 활성화 표지자를 발현한다. 항원 제시 능력을 지닌 이 세포들은 국소 면역 반응의 능동적 참여자일 수 있다 [27,28].

따라서 인간 GALT의 SED 내 B 세포는

자가염증성 질환과 연관된 독특한 특징을 지니지만,

비점막 림프조직에서는 일반적으로 풍부하지 않다.

Spatial dynamics of B cell encounters with antigen in GALT

The spatial dynamics of B cell/antigen interactions in the SED has almost exclusively been studied in animal models (e.g., mice). Such studies have been limited to few antigens, with the response to cholera toxin (CT) studied in greatest detail. Unlike many other antigens, CT is an efficient mucosal antigen with adjuvant properties even when delivered orally [33]. It allows studies of the well-characterized response to the 4-hydroxy-3-nitrophenyl acetyl (NP) hapten in a mucosal context when NP and CT are conjugated and given orally to C57BL/6 mice [34]. This has allowed tracking of transferred naive GFP-expressing NP-specific B cells after immunization. Using fluorescent microscopy and live imaging techniques, a coherent picture has now emerged of B cell activation by NP–CT [21,35].

The first site where activated naive B cells can be detected in mouse PPs after de novo oral immunization with NP–CT is in the SED region, just below the M cells [21,36]. Naive B cells that enter PPs migrate to the SED via expression‎ of CCR6 [37]. If antigen is encountered, the B cells will be activated in SED, where they undergo their initial proliferative phase, and also complete IgA class switch recombination (CSR) [35]. In vivo depletion experiments have demonstrated that lymphotoxin-β-receptor-positive (LTβR+) CD11b+ cDC and/or LysoDC are important for IgA CSR, because they express αvβ8 that activates transforming growth factor (TGF)β [36,38]. While it is clear that TGFβ is required for IgA CSR, it is less clear which cells provide the latent protein [37,39,40]. Activated B cells from these early foci subsequently infiltrate pre-existing GCs driven by responses to other antigens [33]. While the early SED proliferation is not highly dependent on affinity, the subsequent entry into the GC is, resulting in an early stage of affinity selection. This may be important because it could contribute to the affinity maturation observed against TI antigens in PPs (see below) [35].

Where cognate B–T cell interactions first occur during the initiation of T-cell-dependent (TD) PP IgA responses is still unclear. B cells recognizing NP–CT interact with T cells in the SED in mice, but B and T cells have been suggested to interact even before entering the SED [22,35,36]. T follicular helper (Tfh) cells in GALT have also been proposed to support IgA responses via cross-differentiation of CD4+ regulatory T (Treg) cells or T helper (Th)17 cells [41,42]. This view was based on data from transfers of Treg or Th17 cells into T-cell-deficient mice and, in the case of Th17, an IL-17 expression‎ lineage-tracing strain. Notably, this suggestion comes with a major caveat; since both Treg and Th17 cells form as a consequence of interactions with specific antigens, if Tfh cells are developed from them, in theory, they would only show reactivity to antigens that were previously encountered. Hence, if this was the only possible pathway of generating Tfh cells, TD responses would only occur to antigens that were experienced earlier. We have published data supporting an alternative view [43]. Specifically, using a different mouse transfer model, we found that while natural thymic-derived Treg cells are needed for IgA production, they do not crossdifferentiate into Tfh cells, but instead appear to have an antigen-independent role by providing the TGFβ that is needed for IgA CSR [39]. Based on TCR cloning and single-cell RNA sequencing (scRNA-seq) from wild-type (WT) mice, we showed that Treg and Th17 cells rarely carry the same TCRs as Tfh cells in PPs, either in total T cells or CT-specific cells, which would have been the case if crossdifferentiation occurred during the response [34]. The number of T cells that were labeled due to current or previous expression‎ of IL-17 increased after immunization. However, these Th17 cells did not become Tfh cells, or bind to the same immunodominant peptide/MHC II complex as the Tfh cells did, again arguing against crossdifferentiation [34]. In addition, when RORγt, a transcription factor crucial for Th17 development, was depleted from CD4+ T cells using a Cre system, normal numbers of IgA-producing plasma cells were found in the gut, and mice responded with strong antigen-specific serum and intestinal IgA responses, suggesting that Th17 were not needed for normal IgA production, neither during steady-state nor after oral immunization [34]. Thus, although we cannot exclude the possibility that Th17 cells may sometimes crossdifferentiate into Tfh cells to support IgA responses, we posit that this is not a major pathway for responding to oral antigens.

After entry into GCs, proliferation and selection of high-affinity B cell clones to these model antigens in GALT occurs as it does in other lymphoid organs [33]. This requires antigen to be present within the GC, and thus, efficient transport from M cells through the SED into the GC must occur. Activated antigen-specific B cells themselves may possibly act as antigen carriers. After oral immunization of mice with NP–CT, transferred antigen-specific B cells with an activated phenotype are present in the SED even after a specific GC response is evident, and there is continuous migration of the SED B cells from the SED towards the GC during the response [22]. When PE-conjugated NP-hapten was injected into the intestinal lumen 10 days after oral NP–CT immunization, M cells transported NP–PE into SED and the migrating antigen-specific B cells bound to NP–PE, supporting a role for them in antigen-specific transport. There is also evidence for CCR6-mediated migration of B cells in the other direction, from the PPs towards the SED, during this response [21]. That B cells may migrate in both directions is supported by the clonal relationships that have been observed between B cells in SED and GCs [35]. Such bidirectional migration might allow for GC B cells of higher affinity to be recruited for antigen transport during the response, ensuring the continuous loading of antigens into the GC, provided that antigen is present in the gut to maintain continuous affinity maturation. In mouse lymph nodes and spleen, B cells have previously been found to act as nonspecific antigen carriers [44], and recently, antigen-specific transport was reported to also potentially occur in lymph nodes when B cells leave GCs [45]. Whether cells that migrate out of GCs to return within a short timeframe to GCs should be referred to as activated or early memory B cells, is mostly a question of semantics.

On balance, we argue that it is likely that the initiation of B cell responses in GALT is most often a T-dependent (TD) process, although not generally involving crossdifferentiation of Th17 or Treg into Tfh cells. However, in a situation of antigen excess, it is plausible that B cells may enter GCs and undergo responses involving BCR receptor diversification, independent of T cells (Figure 3, Figure 4). This may be specifically important in the context of immune responses to microbiota since they are often covered with TI antigens to which IgA binds.

GALT에서 항원과의 B 세포 접촉 공간적 역학

SED 내 B 세포/항원 상호작용의 공간적 역학은

거의 전적으로 동물 모델(예: 생쥐)에서 연구되었다.

이러한 연구는 소수의 항원에 국한되었으며,

그중 콜레라 독소(CT)에 대한 반응이 가장 상세히 연구되었다.

다른 많은 항원과 달리 CT는

경구 투여 시에도 보조제 특성을 지닌 효율적인 점막 항원이다[33].

NP와 CT를 접합하여 C57BL/6 생쥐에게 경구 투여할 경우, 점막 환경에서 잘 알려진 4-하이드록시-3-니트로페닐 아세틸(NP) 합텐에 대한 반응 연구가 가능해진다[34]. 이를 통해 면역 후 전달된 GFP 발현 NP 특이적 미경험 B 세포의 이동 경로를 추적할 수 있었다. 형광 현미경 및 생체 영상 기법을 활용하여 NP–CT에 의한 B 세포 활성화의 일관된 그림이 제시되었다[21,35].

NP–CT로 de novo 경구 면역 후 생쥐 PP에서 활성화된 미경험 B 세포가 최초로 검출되는 부위는 M 세포 바로 아래의 SED 영역이다[21,36]. PP로 진입한 미경험 B 세포는 CCR6 발현을 통해 SED로 이동한다[37]. 항원을 접촉하면 B 세포는 SED에서 활성화되어 초기 증식 단계를 거치며 IgA 클래스 스위치 재조합(CSR)을 완료한다[35]. 생체 내 고갈 실험을 통해 림프독소-β 수용체 양성(LTβR+) CD11b+ cDC 및/또는 LysoDC가 IgA CSR에 중요하다는 사실이 입증되었습니다. 이는 이들 세포가 변형 성장 인자(TGF)β를 활성화하는 αvβ8을 발현하기 때문입니다[36,38]. TGFβ가 IgA CSR에 필요하다는 것은 분명하지만, 잠재적 단백질을 제공하는 세포가 무엇인지는 덜 명확하다[37,39,40]. 이러한 초기 병소로부터 활성화된 B 세포는 이후 다른 항원에 대한 반응에 의해 유도된 기존 GC로 침윤한다[33]. 초기 SED 증식은 친화도에 크게 의존하지 않지만, 이후 GC로의 진입은 친화도 선택의 초기 단계를 초래한다. 이는 PP에서 관찰되는 TI 항원에 대한 친화도 성숙에 기여할 수 있으므로 중요할 수 있다(아래 참조) [35].

T세포의 의존성(TD) PP IgA 반응이 시작될 때, B-T 세포 간 상호작용이 어디서 처음 발생하는지는 아직 명확하지 않다. 마우스에서는 NP-CT를 인식하는 B 세포가 SED 내에서 T 세포와 상호작용하지만, B 세포와 T 세포는 SED에 진입하기 전에도 상호작용할 수 있다고 제안되었다 [22,35,36] .

GALT 내 T 림프구 보조 세포(Tfh) 또한

CD4+ 조절 T 세포(Treg) 또는 T 보조 세포(Th)17의 교차 분화를 통해

IgA 반응을 지원한다고 제안되었다 [41,42].

이러한 견해는

Treg 또는 Th17 세포를 T 세포 결핍 마우스에 이식한 데이터와,

Th17의 경우 IL-17 발현 계통 추적 균주를 기반으로 한다.

특히 이 제안에는 중대한 주의사항이 따릅니다. Treg와 Th17 세포 모두 특정 항원과의 상호작용 결과로 형성되므로, Tfh 세포가 이들로부터 발달한다면 이론상 이전에 접촉한 항원에 대해서만 반응성을 보일 것입니다. 따라서 이것이 Tfh 세포 생성 유일한 경로라면, TD 반응은 이전에 경험한 항원에 대해서만 발생할 것입니다. 우리는 대안적 관점을 지지하는 데이터를 발표했습니다[43]. 구체적으로, 다른 마우스 이식 모델을 사용하여, 자연적으로 흉선 유래 Treg 세포가 IgA 생산에 필요하지만, 이들은 Tfh 세포로 교차분화하지 않고, 대신 IgA CSR에 필요한 TGFβ를 제공함으로써 항원 독립적 역할을 하는 것으로 나타났습니다[39]. 야생형(WT) 마우스의 TCR 클로닝 및 단일 세포 RNA 시퀀싱(scRNA-seq)을 기반으로, 우리는 PP 내 Treg 및 Th17 세포가 총 T 세포 또는 CT 특이적 세포 모두에서 Tfh 세포와 동일한 TCR을 거의 보유하지 않음을 보여주었습니다. 이는 반응 중 교차분화가 발생했다면 발생했을 현상입니다 [34]. 현재 또는 과거 IL-17 발현으로 인해 표지된 T 세포 수는 면역 후 증가했다. 그러나 이러한 Th17 세포들은 Tfh 세포로 분화하지 않았으며, Tfh 세포와 동일한 면역우세 펩타이드/MHC II 복합체에 결합하지도 않았다. 이는 다시 한번 교차분화 가설을 반박한다 [34]. 또한, Th17 발달에 중요한 전사 인자인 RORγt를 Cre 시스템을 이용해 CD4+ T 세포에서 제거했을 때, 장에서는 정상적인 수의 IgA 생성 형질 세포가 발견되었으며, 마우스는 강력한 항원 특이적 혈청 및 장 IgA 반응을 보였습니다. 이는 정상적인 IgA 생산에 Th17이 필요하지 않음을 시사하며, 이는 정상 상태에서도 구강 면역 후에도 마찬가지였습니다 [34]. 따라서 Th17 세포가 때때로 IgA 반응을 지원하기 위해 Tfh 세포로 교차분화할 가능성을 완전히 배제할 수는 없지만, 이는 구강 항원에 대응하는 주요 경로가 아니라고 제안한다.

GC 진입 후, GALT 내에서는 다른 림프기관과 마찬가지로 모델 항원에 대한 고친화성 B 세포 클론의 증식과 선택이 발생한다[33]. 이는 항원이 GC 내에 존재해야 하며, 따라서 M 세포를 통해 SED를 거쳐 GC로의 효율적인 수송이 이루어져야 함을 의미한다. 활성화된 항원 특이적 B 세포 자체가 항원 운반체 역할을 할 가능성도 있다. NP–CT로 생쥐를 경구 면역한 후, 특이적 GC 반응이 명백해진 후에도 활성화된 표현형을 가진 이식된 항원 특이적 B 세포가 SED에 존재하며, 반응 기간 동안 SED B 세포의 SED에서 GC로의 지속적인 이동이 관찰된다 [22]. 경구 NP-CT 면역 10일 후 장 내강에 PE-결합 NP-합텐을 주입했을 때, M 세포가 NP-PE를 SED로 수송했고 이동 중인 항원 특이적 B 세포가 NP-PE에 결합하여, 이들이 항원 특이적 수송에 역할을 한다는 점을 뒷받침한다. 또한 이 반응 동안 PP에서 SED 방향으로의 CCR6 매개 B 세포 이동 증거도 존재한다[21]. B 세포가 양방향으로 이동할 수 있다는 점은 SED와 GC 내 B 세포 간 관찰된 클론적 관계로 뒷받침된다[35]. 이러한 양방향 이동은 반응 중 항원 수송을 위해 더 높은 친화력을 가진 GC B 세포가 동원될 수 있도록 하여, 장내 항원이 지속적으로 존재하여 친화도 성숙을 유지하는 조건 하에서 GC로의 항원 지속적 공급을 보장할 수 있다. 마우스 림프절과 비장에서 B 세포는 비특이적 항원 운반체 역할을 하는 것으로 이전에 밝혀진 바 있으며[44], 최근에는 B 세포가 GC를 떠날 때 림프절에서도 항원 특이적 수송이 발생할 가능성이 보고되었다[45]. GC에서 이동한 후 짧은 시간 내에 GC로 돌아오는 세포를 활성화된 B 세포로 볼 것인지 초기 기억 B 세포로 볼 것인지는 주로 용어상의 문제이다.

종합하면,

우리는 GALT에서 B 세포 반응의 개시가

일반적으로 Th17 또는 Treg의 Tfh 세포로의 교차분화를 수반하지는 않지만,

대부분 T-의존적(TD) 과정일 가능성이 높다고 주장한다.

그러나

항원 과잉 상황에서는

B 세포가 T 세포와 독립적으로 GC에 진입하여

BCR 수용체 다양화를 수반하는 반응을 겪을 수 있다는 것이 타당하다(그림 3, 그림 4).

이는 미생물군집에 대한 면역 반응의 맥락에서 특히 중요할 수 있는데,

미생물군집은 종종 IgA가 결합하는

TI 항원으로 덮여 있기 때문이다.

장(腸)은 우리 몸에 서식하는 미생물과 숙주 면역 체계 사이의 가장 큰 상호작용 인터페이스를 구성합니다. 인체 내에서 염증이 없는 항상성 환경을 유지하기 위해서는 미생물과 인접 조직 사이의 뚜렷한 구획화를 유지하는 것이 중요합니다. 면역글로불린 A(IgA)는 이 첫 번째 방어선에 참여하며 공생균과 병원성 세균 모두에 결합합니다1. IgA는 주로 장내 미생물 집락화에 대한 직접적인 반응으로 생성되는 것으로 알려져 있으며2, 항체 분비 형질 세포의 80% 이상이 위치한 장 점막 부위에 매우 풍부하게 존재한다

인간의 IgA 결핍증은 백인에서 600명 중 1명의 유병률로 비교적 흔하다4. 대부분의 IgA 결핍 환자는 경미한 표현형만을 보이며 무증상 상태를 유지한다4. 초기 연구에서는 IgM이 어느 정도 IgA 결핍을 보상할 수 있다고 제안되었으나5, 현재는 IgA6,7,8,9와 특이도가 낮은 IgM6,8,10이 건강한 개인의 장내 미생물군 구성원과 결합한다는 것이 확립되었습니다.

장내 IgA 코팅 박테리아(IgA-바이오옴)는 미생물 침입자를 억제하고 장 상피 단층을 보호함으로써 건강한 사람에게 항상성 기능을 제공한다. 이 박테리아 군을 검출하는 실험실 방법에는 유세포 분석법과 DNA 시퀀싱(IgA-Seq)이 필요하다. 미생물군집 불균형(미생물군집 다양성 감소)이 발생하면 IgA-바이오옴도 손상된다. 장 감염, 경구 백신, 또는 장 염증성 질환이 존재할 경우, IgA-생물군은 병원성 세균이나 외래 항원에 집중하는 반면, 미생물군집 불균형과 관련된 다른 만성 질환에서는 IgA-생물군의 기능이 감소합니다. 분변 미생물군 이식(FMT)은 엄격히 선별된 건강한 기증자의 분변 제품을 미생물군 불균형 환자에게 투여하는 방법으로, 장에 건강한 미생물군과 대사물을 이식하여 건강 개선을 이끌어내는 데 성공했습니다. FMT를 통해 IgA로 코팅된 세균은 면역 코팅을 유지한 채 수혜자에게 이식되었습니다. 점막 관련 세균은 자유로운 관강 내 유기체보다 이식 성공과 연관성이 높으므로, FMT 연구에서는 IgA-바이옴을 평가해야 합니다. FMT 전후 미생물군 연구는 최소한 종 수준에서 세균을 식별하는 메타게놈 방법을 활용하여 관심 유기체를 더 잘 식별하고 연구 간 미생물군 데이터를 비교할 수 있도록 해야 합니다.

장의 면역 조직인 GALT에서 훈련된 B세포들이 IgA를 만들어내고, 
이 IgA가 세균 표면에 코팅되면서 우리 몸의 첫 번째 방어선 역할.

이렇게 해서 병원체가 점막을 통해 침투하는 걸 막아주고,
면역 체계를 보호하는 중요한 역할

Figure 3.

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Potential mechanism supporting T-independent (TI) responses in gut-associated lymphoid tissue (GALT).

Gut IgA binding to classical TI antigens carry mutated antibody variable regions, suggesting that responses against TI antigens in GALT differ from those in other tissues. While it is not exactly clear how this is mediated, different mechanisms can be imagined depending on the nature of the antigen. While TI antigens conjugated to proteins act as hapten carriers [33], many gut antigens can be present together, although not covalently linked (i.e., in intact bacteria and viruses). It is therefore possible that T cell epitopes can be presented by B cells that encounter them in the subepithelial dome (SED) [7,21]. Other responses may rely on noncognate interactions with T cells or triggering classical TI responses. Although gut IgA is produced in mice without any germinal centers (GCs) (because of lack of T cell functions), this IgA differs from that in wild-type (WT) mice (lacking variable region mutations); this must be taken into account in any model of TI responses in the gut [34,54].

Abbreviation: Tfh, T follicular helper.

장 관련 림프조직(GALT)에서 T-독립적(TI) 반응을 지원하는 잠재적 메커니즘.

고전적인 TI 항원에 결합하는 장 IgA는

변이된 항체 가변 영역을 가지고 있어,

GALT에서 TI 항원에 대한 반응이 다른 조직에서의 반응과 다르다는 것을 시사합니다.

이것이 정확히 어떻게 매개되는지는 명확하지 않지만,

항원의 특성에 따라 다양한 메커니즘이 상상될 수 있다.

단백질에 접합된 TI 항원들은 합텐 운반체 역할을 하지만 [33],

많은 장 항원들은 공유 결합되지 않은 상태(즉, 온전한 박테리아 및 바이러스 내)로

함께 존재할 수 있다.

따라서 상피하 돔(SED)에서

T 세포 에피토프를 접한 B 세포가 이를 제시할 수 있다[7,21].

다른 반응은 T 세포와의 비특이적 상호작용이나

고전적 TI 반응 유발에 의존할 수 있다.

마우스에서는 생식소(GC) 없이도 장 IgA가 생성되지만(T 세포 기능 부재로 인해),

이 IgA는 야생형(WT) 마우스의 IgA(가변 영역 돌연변이 부재)와 다르며,

장 내 TI 반응 모델을 수립할 때 반드시 고려해야 한다[34,54].

약어: Tfh, T follicular helper.

Figure 4.

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Potential consequences of antigen encounter in gut-associated lymphoid tissue (GALT).

(A) For conjugated T-independent (TI) antigens, normal germinal center (GC) responses can occur (i) [33]. If TI and T-dependent (TD) antigens are coprocessed (ii), it is likely that B cells may present epitopes to pre-GC T cells in the subepithelial dome (SED), resulting in cognate interactions and GC entry, but unless intact antigens are transported together to the FDC network, classical GC selection involving T cell interactions cannot occur. For antigens lacking typical T cell epitopes (iii), it is still possible that B cells may enter into already existing GCs because signals required for GC formation and entry into pre-existing GC may differ. (B) Additional processes that might contribute to V region mutations and/or antigen selection in B cells reactive to TI antigens in GALT are mutations in proliferating cells in SED (i) [35,36], B cell receptor (BCR) mediated selection of high-affinity cells leaving GCs to enter the SED during a response (ii) [35,36] or activation of prediversified B cells (i.e., marginal zone B cells in humans or memory B cells with mutations that are not important for binding the original antigen); these may fortuitously be of higher affinity than cells carrying germ-line V regions (iii) [2]. These processes might not be mutually exclusive, but could all contribute.

장 관련 림프 조직(GALT)에서 항원 접촉의 잠재적 결과.

(A) 접합된 T-독립적(TI) 항원의 경우, 정상적인 생식소(GC) 반응이 발생할 수 있다

(i) [33]. TI 항원과 T 의존성(TD) 항원이 함께 처리될 경우

(ii), B 세포가 상피하 돔(SED)에서 전(前)생식소 T 세포에 에피토프를 제시하여 동종 상호작용과 생식소 진입을 유발할 가능성이 있으나, 완전한 항원이 FDC 네트워크로 함께 수송되지 않는 한 T 세포 상호작용을 수반하는 고전적 생식소 선택은 발생할 수 없다. 전형적인 T 세포 에피토프가 결여된 항원의 경우

(iii), GC 형성과 기존 GC 진입에 필요한 신호가 다를 수 있으므로 B 세포가 이미 존재하는 GC로 진입할 가능성은 여전히 존재한다.

(B) GALT 내 TI 항원에 반응하는 B 세포에서 V 영역 돌연변이 및/또는 항원 선택에 기여할 수 있는 추가 과정으로는 증식 중인 SED 내 세포의 돌연변이

(i) [35,36], 반응 중 GC를 떠나 SED로 진입하는 고친화성 세포의 B 세포 수용체(BCR) 매개 선택

(ii) [35,36] 또는 사전 다양화된 B 세포(즉, 인간의 주변 영역 B 세포 또는 원본 항원 결합에 중요하지 않은 돌연변이를 가진 기억 B 세포)의 활성화; 이러한 세포들은 우연히 생식세포 V 영역을 보유한 세포보다 높은 친화력을 가질 수 있다

(iii) [2]. 이러한 과정들은 상호 배타적이지 않을 수 있으며, 모두 기여할 수 있다.

IgA responses to microbiota

At first glance, recent mouse studies seemed to challenge the role of the microbiota in driving GALT B cells responses, because functional GCs are present even in germ-free mice ([46,47]. In these studies, highly expanded public clonotypes were found in PPs and mesenteric lymph nodes of germ-free mice. However, this should not be considered proof that non-antigen-driven processes dominate in GALT, but rather, as a demonstration of the disposition for GALT to form GCs. When microbiota were present, such responses were diluted out and more diverse B cell responses were observed. These responses differed between animals and were at least partly comprised of antibodies binding microbial antigens due to the presence of mutation-driven affinity maturation. Thus, while a strong drive to form GCs occurs in GALT, antigen-driven responses from the microbiota seem to take over and dominate in nonsterile conditions.

Many microbial antigens encountered in GALT, including lipopolysaccharides (LPSs) and polysaccharides, are TI antigens with repeating subunit structures. According to the classical view, such nonproteinaceous antigens encountered in the FAE and SED cannot be presented to T cells on MHC II and thus, B cells should not acquire cognate help to respond to them [48]. Despite this, IgA-secreting plasma cells that are specific for bacterial glycans are common [47,49., 50., 51.]. Proteins that can drive an extrafollicular response and IgA switch independently from CD40, such as a proliferation inducing ligan (APRIL), are important for the initiation of TI responses [34,52,53]. However, such responses still appear to be restricted to GALT and do not occur in the gut lamina propria [34]. Mechanisms that might support the production of IgA with specificity for nonprotein antigens in GALT are illustrated in Figure 3, Figure 4.

Despite specificity for TI antigens, IgA antibodies secreted by human and mouse intestinal plasma cells are encoded almost exclusively by immunoglobulin genes that have variable regions mutated by somatic hypermutation (SHM) [50,54]. Importantly, these somatic mutations enhance target binding, reflecting affinity maturation [50]. In addition, the acquisition of high mutation loads coupled with affinity selection are only known to occur in GCs, although low levels of mutations and IgA class switch can be observed in patients with CD40–CD40L deficiency, suggesting that our knowledge of this process remains incomplete [12,55,56]. Since GC development is conventionally dependent on cognate B cell interactions involving CD40/CD40L binding, as well as with a protein component to the antigen in humans and mouse models, this development presents an apparent paradox that might be resolved if TI-antigen-activated B cells entered pre-existing GCs, as occurs in a context of antigen excess in the mouse models described above (Figure 3, Figure 4). Entry of B cells into pre-existing GCs in GALT has been documented in mice where affinity maturation ensues following GC entry, if antigen is present [33,35]. It is possible that high quantities of antigen that accumulate in human GALT support the affinity maturation of immigrant B cells that are activated by TI antigen, without the T cell help that is normally required for B cell survival in GCs [57]. Supporting such a scenario, IgA responses can show cross-species reactivity [58], which would be related more to an abundance of antigen compared to the presence of species-specific antigens.

There is ample evidence that microbial antigens are a major factor driving GC responses in GALT, and that these responses mimic those in other lymphoid tissues with ongoing hypermutation and selection of high affinity B cells. However, the presence of large quantities of TI antigen from the gut microbiota and from already formed GCs, appears to create a unique environment where B cells reacting to TI antigens can both mutate their V regions and be selected for higher affinities. Thus, in this respect, GALT seem to differ from what is observed in other secondary lymphoid organs.

GALT and systemic B cell development

The availability of microbial TI antigens in the gut also makes GALT a site that could preselect B cells that can bind to polysaccharide antigens systemically. Some species, including humans, are referred to as GALT species, in which GALT contributes to the creation of systemic B cell immunity [59]. The distinctive features of human GALT supporting this are summarized in Box 2.

미생물군집에 대한 IgA 반응

첫눈에 보기에, 최근 마우스 연구들은 기능적 GC가 무균 마우스에서도 존재한다는 점에서(46,47), GALT B 세포 반응을 주도하는 미생물군집의 역할을 도전하는 것처럼 보였다. 이러한 연구에서 무균 마우스의 편도선과 장간막 림프절에서 고도로 확장된 공통 클론형이 발견되었다. 그러나 이는 GALT에서 비항원 주도 과정이 우세하다는 증거로 간주되어서는 안 되며, 오히려 GALT가 GC를 형성하는 경향을 보여주는 것으로 해석해야 한다. 미생물 군집이 존재할 경우, 이러한 반응은 희석되어 더 다양한 B 세포 반응이 관찰되었다. 이러한 반응은 개체 간 차이를 보였으며, 돌연변이 주도 친화도 성숙의 존재로 인해 미생물 항원에 결합하는 항체로 적어도 부분적으로 구성되었다. 따라서 GALT에서는 GC 형성 욕구가 강하게 발생하지만, 비무균 조건에서는 미생물 군집에 의한 항원 주도 반응이 우세해지는 것으로 보인다.

GALT에서 접하는 많은 미생물 항원(리포폴리사카라이드(LPS) 및 다당류 포함)은 반복 서브유닛 구조를 가진 TI 항원이다. 고전적 관점에 따르면, FAE 및 SED에서 접하는 이러한 비단백질성 항원은 MHC II를 통해 T 세포에 제시될 수 없으므로, B 세포는 이에 대응하기 위한 인지적 도움을 획득하지 않아야 한다[48]. 그럼에도 불구하고, 세균성 당질에 특이적인 IgA 분비 형질세포는 흔히 관찰된다 [47,49., 50., 51.]. CD40과 독립적으로 여포외 반응 및 IgA 전환을 유도할 수 있는 단백질(예: 증식 유도 리간(APRIL))은 TI 반응의 개시에 중요하다 [34,52,53]. 그러나 이러한 반응은 여전히 GALT로 제한되어 있으며 장 점막하층에서는 발생하지 않는다[34]. GALT에서 비단백질 항원에 특이적인 IgA 생산을 지원하는 메커니즘은 그림 3, 그림 4에 설명되어 있다.

TI 항원에 대한 특이성에도 불구하고, 인간과 쥐의 장 플라스마 세포가 분비하는 IgA 항체는 거의 전적으로 체세포 과다 돌연변이(SHM)에 의해 변이된 가변 영역을 가진 면역글로불린 유전자에 의해 암호화된다 [50,54]. 중요한 점은, 이러한 체세포 돌연변이가 표적 결합을 강화하여 친화도 성숙을 반영한다는 것이다 [50]. 또한, 높은 돌연변이 부하 획득과 친화도 선택의 결합은 GC에서만 발생하는 것으로 알려져 있으나, CD40–CD40L 결핍 환자에서는 낮은 수준의 돌연변이와 IgA 클래스 전환이 관찰되어 이 과정에 대한 우리의 이해가 아직 불완전함을 시사한다 [12,55,56] . GC 발달은 일반적으로 CD40/CD40L 결합 및 인간과 마우스 모델에서 항원의 단백질 구성 요소와의 상호작용을 수반하는 동종 B 세포 상호작용에 의존하므로, 이러한 발달은 명백한 역설을 제시한다. 이는 TI-항원 활성화 B 세포가 상기 마우스 모델에서 항원 과잉 상황에서 발생하는 것처럼 기존 GC에 진입할 경우 해결될 수 있다(그림 3, 그림 4). GALT 내 기존 GC로의 B 세포 진입은 항원이 존재할 경우 GC 진입 후 친화도 성숙이 이어지는 것으로 마우스에서 입증되었다[33,35]. 인간 GALT에 축적된 다량의 항원이, GC 내 B 세포 생존에 일반적으로 필요한 T 세포 도움 없이도 TI 항원에 의해 활성화된 이민 B 세포의 친화도 성숙을 지원할 가능성이 있다[57]. 이러한 시나리오를 뒷받침하듯, IgA 반응은 종간 반응성을 보일 수 있으며[58], 이는 종 특이적 항원의 존재보다 항원의 풍부함과 더 관련이 있을 것이다.

미생물 항원이 GALT 내 GC 반응을 주도하는 주요 요인이며, 이러한 반응이 지속적인 과다 돌연변이와 고친화성 B 세포 선별을 동반하는 다른 림프 조직에서의 반응을 모방한다는 증거는 풍부하다. 그러나 장내 미생물군집과 이미 형성된 GC에서 유래한 다량의 TI 항원 존재는 TI 항원에 반응하는 B 세포가 V 영역을 돌연변이시키면서도 더 높은 친화성을 위해 선별될 수 있는 독특한 환경을 조성하는 것으로 보인다. 따라서 이러한 측면에서 GALT는 다른 이차 림프기관에서 관찰되는 것과 차별화되는 것으로 보인다.

Box 2. Features of human GALT that can support its unique activities.

Antigen acquisition

The GALT does not have afferent lymphatics but receives particulate antigen via the specialized FAE that contains M cells, or by direct antigen sampling via dendritic cells [7,14].

Antigen identity

Particulate antigens sampled by GALT are predominantly bacterially derived from the microbiota in the gut lumen [17,19].

B cell proximity to the microbiota

B cells are present in intraepithelial locations close to the gut lumen [18,20,23]. This ensures that the expressed BCR has the potential to make direct contact with native antigen, to which many intestinal antibodies are directed. Most B cells in intraepithelial locations also express the inhibitory receptor FcRL4 that may also be key in modulating the B cell response to a strong BCR-derived signal [23,82].

LysoDCs in the SED expressing microbicides and DNASE1L3

The sampling of bacteria from the gut lumen can bring live bacteria inside the host. Key to maintaining host sterility is the LysoDC subset that sits between the epithelium containing B cells and the remaining lymphoid follicle. These cells can kill microbes including pathogens [14]. Microbial DNA is highly immunogenic, and DNASE1L3 secreted into the SED may be important for ensuring that microbial DNA does not elicit an anti-DNA response.

TI B cell responses

B cell responses in GALT including responses that are class switched to IgA can occur independently of cognate T cell help [12]. This is mediated in part by the cytokine APRIL that is produced by epithelial cells, by cells in the SED, and also within GCs [53].

Life-long active GCs

The chronic sampling of bacteria from the gut lumen is associated with the formation of GCs soon after birth [83]. GCs in this antigen-rich microenvironment appear to be sustained, the associated B cell responses can be extensive, and the immunoglobulin variable region genes can acquire very high loads of somatic mutations within large clones of plasma cell precursors [13].

GALT GC entry in the absence of T cell help

Evidence from animal models supports the concept that B cells can enter persisting GCs in situations of pre-existing antigen [33]. Antigens sampled from the gut lumen are likely to be present in GALT in excess. Propagation of B cells that recognize antigens expressed by many bacterial species might be favored [50].

Alt-text: Box 2

Recently reviewed, a role for GALT in the generation of antibody diversity was first defined in chickens by Max Cooper [59]. He removed the bursa of Fabricius, an anatomical structure closely associated with avian gut closely resembling GALT, and as a consequence, the birds could not mount antibody responses. Subsequently, the bursa in chickens was found to nurture developing cells, providing an environment for establishing receptor diversity in the B cell pool via gene conversion [59].

Although no bursal equivalent exists in mammals, GALT is involved in the generation of B cell diversity in sheep and rabbits via SHM, and gene conversion, respectively [59]. Although these key events occur in utero, in both cases, repertoire propagation by proliferation occurs once the gut is colonized by bacteria [59].

Evidence for an axis of shared cells between the spleen and GALT was identified in studies of humans with immunodeficiencies [60]. We now know that the role of GALT in postnatal human B cell development appears to be restricted to the maturation of innate-like marginal zone B (MZB) cells that develop over the first 2 years of life [59]. The MZ itself is a microanatomic region in GALT and spleen that can be occupied by memory B cells and MZB cells [18,61,62]. Studies of human immunodeficiencies and disease states confirm‎ that memory B cells and innate-like MZBs are developmentally and functionally different [63., 64., 65.]. This is relevant because memory B cells also accumulate in the human spleen throughout life [66] and discriminating between memory B cells and MZBs can be difficult. Evidence supporting the role of GALT in human MZB development is summarized in Table 1.

Table 1.

Evidence supporting the involvement of GALT in the maturation of human MZB cells

ObservationRefs

T2 transitional B cells in human blood with high expression‎ of surface IgM (IgMhi) express α4β7 integrin that mediates homing into gut tissues by binding endothelial MAdCAM1.	[67]
MAdCAM1 is expressed by GALT endothelium and can thus mediate entry of cells expressing α4β7 integrin into GALT.	[9]
IgMhi T2 B cells can be identified in GALT	[67]
IgMhi T2 B cells express the gene encoding CD1c that is otherwise associated with marginal zone B (MZB) cells.	[67]
B cells expressing CD1c can be identified in fetal GALT. Fetal GALT microenvironment could potentially support the maturation of these cells into MZB cells.	[75]
T2 B cells in GALT are activated.	[85]
MZB cells can develop in vitro from marginal zone precursors expressing CD45RB by ligation of Notch2.	[69]
MZB cells and GC B cells isolated from GALT can be part of the same clone that shows evidence of proliferation and diversification in GALT.	[61]
B cells respond to a TI vaccine by rapid clonal expansion and production of plasmablasts; evidence of somatic hypermutation but no further somatic diversification within the clone.	[2]
B cells giving rise to cells that respond to a TI vaccine predominantly include MZB cells	[2]
Antibodies expressed by B cells responding to a TI vaccine recognize the gut microbiota. Acquired somatic mutations enhance the binding of capsular polysaccharides.	[2]
Both MZB and memory B cells can be identified in tissue sections of spleen and GALT. In each tissue, MZB are distributed closer to GCs than memory B cells.	[18,61,62]

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Throughout life, human B cells continuously leave the bone marrow as T1 cells from which all other B cells subsequently develop. As B cells mature to T2 cells, they undergo a developmental bifurcation [67]. T2 cells expressing higher IgM (IgMhi) express integrin α4β7, which is associated with a cellular potential to extravasate at sites in the gut, including GALT, where they can be selectively identified. The receptor for integrin α4β7, MAdCAM-1, is expressed by endothelial cells in GALT and by splenic sinus-lining cells, consistent with a potential to share traffic in these tissues [8,9]. T2 cells expressing lower IgM (IgMlo) express CCR7, L-selectin, and IL4R, suggesting homing to peripheral, T-cell-rich tissues, capable of interacting with T cells [67].

IgMhi T2 cells form a developmental continuum with MZBs that are also IgMhi [67]. MZBs can be identified in GALT, locating close to GC [18,61]. Next-generation sequencing of human immunoglobulin genes identified B cell clones that included MZB and GC variants [61]. Lineage trees illustrating the relationship between B cells within a clone can be constructed by analyzing immunoglobulin heavy chain variable region sequences that are progressively mutated by SHM [68]. Such lineage trees, derived from GC and MZB variants within a clone, have shown hallmarks of MZB division and antibody diversification in GALT GC [61]. The GALT does not contain an abundance of MZBs; however, it is likely that these cells form a circulating continuum between the spleen (where they accumulate in the marginal zone) and the GALT [61,69]. Of note, the development of MZBs from marginal zone precursor B cells expressing a glycosylated variant of CD45RB is dependent on Notch2 signaling [70] and the distribution of Notch2 has been described in the GALT of rats [71].

Important for understanding the role of GALT in the development of MZB specificity and function, GALT exposure to bacteria equips MZBs with the capacity to rapidly respond to TI antigens administered systemically. Specifically, researchers tracked B cell responses to the TI Pneumovax vaccine that is composed of capsular polysaccharides from 23 pneumococcal serotypes using flow cytometry and antibody variable region sequencing [2]. The authors observed a rapid plasmablast response. Although the antibody variable region genes of the responding cells had previously undergone SHM, they did not further diversify upon challenge. Alignment of antibody variable region sequences with those of sorted B cells isolated prior to challenge, showed clonal relatives among the MZB population. The expressed antibodies had specificity for gut bacterial glycans consistent with prior exposure to gut microbes and SHM in GALT GC; this suggested that exposure to gut bacteria shaped MZB cell specificity [2].

From another angle, MZBs can be depleted in autoimmune diseases such as SLE [67]. Indeed, disruption of GALT structure in histological sections has also been observed in SLE patients [72]. It is unclear whether these observations are linked and whether this represents a change in development or a deviation from normal mature cell function.

Concluding remarks

The GALT is a structure with contrasting major roles that are each dependent on the microbiota and which are essential for good health. The GALT protects and stabilizes the gut microenvironment by producing IgA plasma cell precursors. This IgA can have cross-species reactivity; that is, the ability to bind the same target on different bacterial species. Paradoxically, IgA specific for TI glycan antigens can use highly mutated antibody variable region genes, a feature that depends on a GC microenvironment otherwise associated with TD antigens. We propose that this is facilitated by TI antigen-dependent entry of B cells into pre-existing GCs. However, why only a few antigens can trigger efficient GALT responses instead of tolerance is an important question, not least of which is the development of putative oral vaccines against microbial infections. Indeed, many questions remain (see Outstanding questions).

Outstanding questions.

Can human B cells that are activated by TI antigens enter human GALT GC? This is assumed to occur based on animal models, and because B cells and plasma cells with specificity for intestinal TI antigens exist, and the receptors are mutated by SHM. However, there is no direct evidence for this. Assuming this can occur, what are the factors restricting B cell entry, propagation, and selection?

Why are so few model antigens available for GALT stimulation following oral challenge? While CT has been a valuable model oral antigen that can also function as an effective carrier of NP hapten, few other models are available. This is not for want of trying; the salient features of an effective oral antigen remain unclear.

How are GALT GCs initially established and does this vary along the GI tract? GALT GCs are initiated early in life, conventionally from activated B cells with cognate support from T cells. How is this achieved? Assuming T cells are involved, which T cells are these?

What is the relationship between GALT sites throughout the GI tract and what regulates it? We know that biases in factors that regulate plasmablast recruitment and also biases in IgA subclass distribution exist between the colon and ileum. Exactly how this is regulated remains unclear.

What is the function of FcRL4 that is expressed by human intraepithelial B cells in health? We know that FcRL4 is an inhibitory receptor that binds aggregated IgA, but its relevance in normal physiology remains obscure.

What directs the lineage split at the T2 stage of human B cell differentiation? A lineage split generates precursors of MZBs with gut homing properties. What regulates this? What happens in SLE to cause distortion of the B cell profile with MZ plasmablasts and MZB loss?

What is the relationship between GALT and splenic MZBs in humans throughout life? While evidence for this relationship is now strong, it is unclear whether this is more dominant in childhood (enriching the establishment of MZB repertoires) or adulthood.

What is the relationship between human MZBs and protection of the lung from pneumococcal disease? A major function of MZBs is the recognition of TI antigens including pneumococcal polysaccharides and protection from pneumococcal pneumonia. Thus, a B cell subset that matures in GALT and occupies the spleen can protect the lung. How the connection with the lung occurs is clinically important but not understood.

Alt-text: Outstanding questions

A contrasting function of GALT in some species is the provision of a microenvironment that B cells can depend on for aspects of their development. Recently, humans were added to the list of GALT species based on the maturation of innate-like MZBs in GALT, where they acquire specificity for bacterial glycans, including capsular polysaccharides.

While the importance of GALT in generating IgA plasma cells has been known for decades, recent advances show that this enigmatic lymphoid tissue has unique properties that facilitate its maintenance of intestinal homeostasis, and the capacity to rapidly respond to pathogens that are encountered systemically [2].

AcknowledgmentsAcknowledgments

We are grateful to Lucia Montorsi for providing the original image for Figure 1.

Declaration of interests

Michael J. Pitcher and Chiara Dionisi are supported by a Wellcome Trust Investigator award to Jo Spencer (220872/Z/20/Z).

Glossary

Affinity maturation

term used for SHM followed by selection of high affinity antibody variants during the GC response.

Bursa of Fabricius

lymphoid organ associated with the chicken gut where B cells develop.

Cholera toxin (CT)

antigen capable of driving potent immune responses in GALT, even when administered orally; also an adjuvant.

Cross-species reactivity

recognition of bacterial antigens shared across multiple bacterial species.

Fc receptor like 4 (FcRL4)

inhibitory receptor for aggregated IgA expressed by B cells within and adjacent to the FAE.

Follicle-associated epithelium (FAE)

epithelium overlying the lymphoid tissue; forms a barrier between the lymphoid tissue and the microbiota.

GALT species

species including chicken, sheep, rabbits, and humans that depend on the GALT and microbiota for certain aspects of B cell development.

Gene conversion

diversification process of a limited antibody variable gene repertoire in which antibody variable gene sequences derived from upstream pseudogenes replace homologous sequences in the original gene rearrangement.

Germinal center (GC)

microanatomical niche where B cells divide and undergo SHM and selection for specificity.

Gut-associated lymphoid tissue (GALT)

organized lymphoid tissue distributed adjacent to FAE in foci along the mammalian gastrointestinal tract.

LysoDCs

DCs in the SED that express microbicides and DNASE1L3 responsible for killing translocated microbes.

Marginal zone B (MZB) cells

innate-like B cells that mature in GALT in humans and that mediate immune responses to TI antigens including pneumococcal polysaccharides.

Marginal zone precursors

cells resembling naive B cells in their lack of CD27 and expression‎ of IgM and IgD. Like naive B cells, they express the ABCB1 transporter but unlike naive B cells, they express the glycosylated form of CD45RB.

Microfold (M) cells

actively sample particulate antigens from the gut lumen and transport them to the lymphoid tissue below.

Peyer’s patches (PPs)

clusters of GALT in the terminal ileum.

Regulatory T (Treg) cells

specialized immunosuppressive CD4+ T cells that express the Foxp3 transcription factor.

Somatic hypermutation (SHM)

process of introducing mutations to antibody variable regions genes during B cell division, usually restricted to B cells in GCs.

Subepithelial dome (SED)

region beneath the epithelium where initial antigen encounter and also antigen destruction occur.

T follicular helper (Tfh) cells

specialized CD4+ T cell subsets that provide help to B cells; essential for GC formation.

T helper 17 (Th17) cells

CD4+ subset characterized by the production of IL-17 and expression‎ of transcription factor RORγ; promote an immune response to extracellular pathogens.

T-dependent (TD) B cell immune responses

antibody responses to protein antigens that are dependent on cognate interactions between antigen-specific T cells via their TCR with peptides from the protein presented on MHC II by B cells.

T-independent (TI) B cell immune responses

responses to antigens that in a physiological context usually have a carbohydrate component and repeating subunit structures.

Time of flight (ToF) techniques

methods that use panels of rare earth metal-tagged antibodies to label cells either in suspensions (CyTOF) or in tissue sections (imaging mass cytometry). The metals are detected following laser ablation by mass cytometry.

Toll-like receptors (TLRs)

receptors of the innate immune system that detect pathogen associated molecular patterns.

Contributor Information

Mats Bemark, Email: mats.bemark@med.lu.se.

Jo Spencer, Email: jo.spencer@kcl.ac.uk.

References

• 1.Brandtzaeg P., et al. The B-cell system of human mucosae and exocrine glands. Immunol. Rev. 1999;171:45–87. doi: 10.1111/j.1600-065X.1999.tb01342.x. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
• 2.Weller S., et al. T-independent responses to polysaccharides in humans mobilize marginal zone B cells prediversified against gut bacterial antigens. Sci. Immunol. 2023;8 doi: 10.1126/sciimmunol.ade1413. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]