Nature客戶案例解析：腸道菌群如何通過改變飲食成分來影響宿主免疫

人體腸道微生物群源源不斷地將來自宿主和飲食的天然產(chǎn)物轉(zhuǎn)化為生物活性代謝物。腸道免疫具有高度組織區(qū)域化的特征，小腸是機體消化吸收膳食營養(yǎng)物質(zhì)的主要場所，膳食脂肪可經(jīng)脂解作用形成游離脂肪酸并被機體作為必須微量營養(yǎng)元素所吸收。而腸道共生菌將一些長鏈不飽和脂肪酸（如亞油酸）修飾成各種脂肪酸異構(gòu)體，這些異構(gòu)體調(diào)節(jié)宿主代謝并具有抗癌特性。然而，目前對這種飲食-微生物FA異構(gòu)化網(wǎng)絡如何影響宿主的粘膜免疫系統(tǒng)仍缺乏深入研究。

2023年6月，中科院分子細胞科學卓越創(chuàng)新中心宋昕陽研究員與腸道菌群研究先驅(qū)、美國哈佛醫(yī)學院Dennis L. Kasper院士共同通訊在Nature（IF=64.8）上發(fā)表了題為“Gut microbial fatty acid isomerization modulates intraepithelial T cells”的研究論文，發(fā)現(xiàn)腸道微生物以亞油酸（Linoleic Acid, LA）等常見脂肪酸為食，并將其轉(zhuǎn)化為共軛亞油酸（亞油酸的同分異構(gòu)體，CLA）。這種副產(chǎn)物作為生物級聯(lián)反應的信號，最終刺激一種特定類型的免疫細胞亞群CD4+CD8αα+上皮內(nèi)淋巴細胞（CD4+CD8αα+ IELs）的發(fā)育并駐留在小腸中。這種級聯(lián)反應被打斷的小鼠更容易被一種常見的食源性病原體——鼠傷寒沙門氏菌所感染。（麥特繪譜提供長鏈脂肪酸靶向定量檢測分析服務）

腸道FAs誘導CD4+CD8αα+ IELs

研究發(fā)現(xiàn)，CD4+CD8αα+ IELs主要存在于無特定病原體(SPF)小鼠而非無菌(GF)小鼠的小腸上皮內(nèi)區(qū)域，因此作者推測小腸內(nèi)細菌通過改變來自宿主飲食的代謝物來促進CD4+CD8αα+ IELs的誘導。比較不同飼糧喂養(yǎng)SPF小鼠腸道組織，發(fā)現(xiàn)飼喂營養(yǎng)豐富糧食的SPF小鼠的CD4+CD8αα+ IELs水平顯著高于基本營養(yǎng)飲食的SPF小鼠，飼糧對CD4+CD8αα+ IELs水平的影響僅限于小腸（十二指腸、空腸和回腸），在盲腸和結(jié)腸中未觀察到。這表明，飲食來源的分子，或由宿主或其共生微生物修飾的飲食分子，可能對小腸中CD4+CD8αα+ IELs的誘導至關(guān)重要。

接下來，作者試圖確定飲食和腸道因素是否負責調(diào)節(jié)小腸中CD4+CD8αα+ IELs水平，首先排除了膽汁酸（BA）本身及膽汁酸信號級聯(lián)影響后，最終將注意力集中在各種脂肪酸上。在給小鼠喂食特定脂肪酸后，他們發(fā)現(xiàn)，食用一種被稱為亞油酸（LA）的長鏈脂肪酸的小鼠開始在它們的小腸中出現(xiàn)CD4+CD8αα+ IELs細胞。

圖1. 腸道LCFA代謝物對上皮內(nèi)CD4+CD8αα+細胞的維持至關(guān)重要

微生物是LA異構(gòu)化的必要條件

一些腸道細菌，如腸球菌、乳桿菌、雙歧桿菌、瘤胃球菌和毛螺科，可以通過亞油酸異構(gòu)酶(LAIs)將LA轉(zhuǎn)化為CLAs。小鼠腸道菌群組成在攝入低營養(yǎng)飲食后發(fā)生了變化，其中這些小鼠的回腸中幾種產(chǎn)生CLA的細菌豐度同時降低。作者進一步確定飲食和微生物群對腸道中CLA水平的影響，并發(fā)現(xiàn)細菌生物轉(zhuǎn)化過程對腸道CLA的產(chǎn)生至關(guān)重要。為了進一步確定LAI基因陽性細菌中的LCFA異構(gòu)化途徑是否參與回腸CD4+CD8αα+ IELs的誘導，選擇兩種CD4+CD8αα+ IELs誘導株: 糞腸球菌MMH594和糞腸球菌OG1RF。在失去將LA轉(zhuǎn)化為CLAs的能力后，這些糞腸球菌菌株無法誘導回腸產(chǎn)生CD4+CD8αα+ IELs。這表明，小鼠小腸內(nèi)CD4+CD8αα+ IELs的產(chǎn)生需要由LAI陽性共生菌編碼的LA代謝途徑。

圖2. 腸道細菌通過LCFA異構(gòu)化途徑控制上皮CD4+CD8αα+細胞

CLAs通過HNF4γ誘導CD4+CD8αα+ IELs

飼料中的LA可被微生物代謝修飾，其產(chǎn)物CLAs具有宿主免疫調(diào)節(jié)特性。因此，進一步探討宿主如何識別微生物CLA信號來維持回腸CD4+CD8αα+ IELs穩(wěn)態(tài)。表達CD8 α的SPF小鼠回腸IELs轉(zhuǎn)錄組學分析顯示，CD4+CD8αα+ IELs與TCRβ+CD8αβ+和TCRβ+CD8αα+ IELs的基因表達模式明顯不同。盡管所有三個IEL群體都表達了與CD8+ T細胞中細胞毒性T淋巴細胞程序相關(guān)的基因，但CD4+CD8αα+ IELs保留了許多由CD4+細胞系編碼的細胞因子的基本表達，這些細胞因子對維持腸道屏障功能很重要，例如IL10、IL17a、IL17f和IL22。

進一步分析發(fā)現(xiàn)CD4+CD8αα+ IELs選擇性地表達兩種核受體: HNF4α和HNF4γ，這兩種受體已被報道為腸道上皮細胞FA代謝的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子。其中HNF4α在整個胃腸道中高度表達，而HNF4γ主要在小腸中表達。CD4+ T細胞中HNF4α的缺失并不影響回腸CD4+CD8αα+細胞或其他IEL對照物的水平。值得注意的是，TF-ThPOK和受損的CD4譜系水平升高HNF4g缺陷小鼠CD4+IELs中CD8αα+細胞頻率。通過比較HNF4g缺陷小鼠及其對照組小鼠IECs中免疫信號相關(guān)基因的表達，發(fā)現(xiàn)這些免疫基因在Hnf4g缺陷的IECs中沒有下調(diào)，這表明在Hnf4g缺陷小鼠中存在一種獨特的調(diào)節(jié)IELs的機制。接下來，作者通過過繼性地將Hnf4g正�；蛉狈�Hnf4g的初始CD4+ T細胞轉(zhuǎn)移到Tcrb敲除小鼠體內(nèi)，發(fā)現(xiàn)內(nèi)在的HNF4γ可調(diào)節(jié)回腸CD4+CD8αα+ IELs。

為確定腸道CLAs是否通過HNF4γ調(diào)節(jié)回腸CD4+CD8αα+ IELs，作者用六種B膽汁酸(CA、CDCA、UDCA、TCA、TCDCA和TUDCA)混合乳化的CLAs治療Hnf4g缺陷小鼠，發(fā)現(xiàn)CLA-BA混合物能夠恢復低營養(yǎng)飲食的Hnf4g窩鼠的CD4+CD8αα+ IELs的回腸頻率；而單獨補充CLA無法恢復Hnf4g缺陷小鼠的回腸CD4+CD8αα+ IELs水平，這表明微生物CLA – Hnf4γ軸在調(diào)節(jié)這種IEL群體中起著關(guān)鍵作用。

圖3. 腸道CLAs通過HNF4γ調(diào)節(jié)上皮內(nèi)CD4+CD8αα+細胞

HNF4γ通過IL-18受體下調(diào)ThPOK

接下來，作者探究CLA-HNF4γ軸調(diào)節(jié)CD4+CD8αα+ IELs的機制。三個表達CD8 α的TCRβ+ IEL亞群的轉(zhuǎn)錄組比較顯示，CD4+CD8αα+ IELs高水平表達IL13ra1和IL18r1。檢測相應細胞因子缺陷小鼠的回腸CD4+CD8αα+ IELs水平表明，IL-18信號傳導在控制這種IEL群體中具有潛在作用。雖然HNF4γ缺乏或低營養(yǎng)飲食不會影響回腸IL-18水平，但HNF4γ可以結(jié)合回腸CD4+ IELs中IL18r1位點的轉(zhuǎn)錄起始位點(TSS)。

此外，低營養(yǎng)飲食導致CD4+ IEL表面IL-18R1表達受損。通過補充CLA，小鼠CD4+ IELs中IL-18R1水平的恢復依賴于HNF4γ。這表明CLA-HNF4γ軸在控制CD4+ IELs中IL18r1介導的信號傳導中是至關(guān)重要的。進一步實驗發(fā)現(xiàn)在IL18缺陷小鼠和IL18r1缺陷小鼠的CD4+ IELs中ThPOK+種群增加，而在這些小鼠的回腸中其他TCRβ+ IELs保持完整。因此，腸道CLAs激活HNF4γ促進IL-18R1在CD4+ IEL中的表達，而IL-18反過來通過其受體信號下調(diào)ThPOK，使CD4+CD8αα+ IELs分化。

圖4. 腸道CLA-HNF4γ軸通過IL-18信號傳導誘導上皮內(nèi)CD4+CD8αα+細胞

CLA-HNF4γ軸調(diào)控腸道感染

據(jù)報道，CD4+CD8αα+ IELs可維持腸道穩(wěn)態(tài)，這些IELs表達抗感染和屏障修復功能的特征基因。本研究分析了CLA-HNF4γ級聯(lián)是否調(diào)節(jié)鼠傷寒沙門氏菌(STm)感染模型中的腸道炎癥反應。首先發(fā)現(xiàn)飼料中添加CLA可以恢復小鼠的回腸CD4+CD8αα+ IELs。此外，給予CLA+低營養(yǎng)飲食的小鼠對STm感染的抵抗力與營養(yǎng)豐富飲食的小鼠一樣，而單純喂食低營養(yǎng)飼糧的小鼠表現(xiàn)出更高的死亡率、嚴重的上皮破壞、血清炎癥細胞因子水平增加和細菌傳播到非腸道器官增多。因此，CD4+ T細胞中的HNF4α信號在STm感染的控制中是不可缺少的。然而，Hnf4g缺陷小鼠比其同窩小鼠更容易感染STm，CD4+ T細胞中的HNF4γ信號也顯示出對STm感染的保護作用。表明干預CLA-HNF4γ軸可調(diào)控腸道感染程度。

圖5. CLA-HNF4γ軸控制腸粘膜感染

小結(jié)

本研究通過靶向代謝分析結(jié)合體內(nèi)外機制研究，表明腸道菌群FA衍生物CLAs是通過HNF4γ介導的IL-18受體信號傳導維持健康的CD4+CD8αα+ IELs池的重要分子因子，提出了一種膳食-微生物-宿主的三重互作信號網(wǎng)絡調(diào)控機體黏膜穩(wěn)態(tài)與抗感染免疫的新型功能機制。

原文文獻

Song, X., Zhang, H., Zhang, Y. et al. Gut microbial fatty acid isomerization modulates intraepithelial T cells. Nature. 2023.

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