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      Nature IF 64.8!破解免疫謎題!

      發布時間:2023-08-03      點擊次數:26

      人體腸道菌群源源不斷地將來自宿主和飲食的天然產物轉化為生物活性代謝物。膳食脂肪是必需的微量營養素,經過脂肪分解,釋放游離脂肪(fatty acids, FAs)供小腸吸收。腸道共生菌將一些不飽和脂肪酸(如亞油酸)修飾成各種腸道脂肪酸異構體,這些異構體調節宿主代謝并具有抗癌特性。然而,人們對這種飲食—微生物脂肪酸異構化如何影響宿主的粘膜免疫系統知之甚少。

       

      近日,中科院分子細胞科學創新中心宋昕陽與美國哈佛醫學院Dennis L. Kasper院士共同通訊在Nature(IF=64.8)上發表了題為“Gut microbial fatty acid isomerization modulates intraepithelial T cells"的研究論文。他們發現腸道微生物以亞油酸(Linoleic Acid, LA)等常見脂肪酸為食,并將其轉化為共軛亞油酸(亞油酸的同分異構體,CLAs)。CLAs作為生物級聯反應的信號,最終刺激一種特定類型的免疫細胞亞群CD4+CD8αα+上皮內淋巴細胞(CD4+CD8αα+ IELs)的發育并駐留在小腸中。而這種級聯反應被阻斷后,小鼠更容易被常見的食源性病原體鼠傷寒沙門氏菌所感染。

       

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      腸道FAs誘導CD4+CD8αα+ IELs

       

      該研究發現,CD4+CD8αα+ IELs主要存在于無特定病原體(SPF)小鼠而不是無菌(GF)小鼠的小腸上皮內。因此,作者認為寄生于小腸的細菌通過修飾宿主飲食中的代謝產物來促進CD4+CD8αα+ IELs的誘導。隨后,他們比較不同營養飲食的SPF小鼠腸道組織,發現營養豐富飲食的SPF小鼠CD4+CD8αα+ IELs水平顯著高于較低限度營養飲食的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),在盲腸和結腸中未觀察到。這表明,由宿主或其共生微生物修飾的飲食來源的分子,可能對小腸中CD4+CD8αα+ IELs的誘導至關重要。

       

      接下來,作者試圖確定飲食和腸道因素是否負責調節小腸中CD4+CD8αα+ IELs水平。在確定膽汁酸(BA)本身和BA信號級聯不能調節小鼠小腸中CD4+CD8αα+ IELs水平后,他們最終將注意力集中在各種脂肪酸上。令人驚喜的是,在給與小鼠喂食特定脂肪酸后,他們發現,在食用亞油酸(LA)的小鼠小腸中出現了CD4+CD8αα+ IELs細胞。



      圖1  腸道長鏈脂肪酸(LCFA)代謝物對上皮內CD4+CD8αα+ 細胞的維持至關重要

       

      微生物是LA異構化的必要條件

       

      一些腸道細菌,如腸球菌、乳桿菌、雙歧桿菌、瘤胃球菌和毛螺菌,可以通過亞油酸異構酶(LAIs)將LA轉化為CLAs。研究者發現攝入較低限度飲食小鼠的回腸中能夠產生CLAs的菌群豐度降低,隨后進一步確定飲食和微生物群對腸道中CLAs水平的影響,并發現細菌生物轉化過程對腸道CLAs的產生至關重要。因此,他們推測攜帶LAI基因的腸道細菌可能是小腸中CD4+CD8αα+ IELs的誘導者。

       

      為了進一步確定LAI基因陽性細菌中的LCFA異構化途徑是否參與回腸CD4+CD8αα+ IELs的誘導,作者選擇兩種CD4+CD8αα+ IELs誘導株:糞腸球菌MMH594和糞腸球菌OG1RF進行探究。在失去將LA轉化為CLAs的能力后,這些糞腸球菌菌株無法誘導回腸產生CD4+CD8αα+ IELs。這表明, LAI陽性共生菌編碼的LA代謝途徑是誘導小鼠小腸CD4+CD8αα+ IELs所必需的。



      圖2  腸道細菌通過LCFA異構化途徑控制上皮CD4+CD8αα+細胞

       

      CLAs通過HNF4γ誘導CD4+CD8αα+ IELs

       

      飲食中的LA可以被微生物代謝修飾,其產物CLAs具有宿主免疫調節特性。因此,作者進一步探究宿主如何識別微生物CLA信號來維持回腸CD4+CD8αα+ IELs穩態。表達CD8α的SPF小鼠回腸IELs 轉錄組學分析顯示,CD4+CD8αα+ IELs、TCRβ+CD8αβ+以及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(例如IL10、IL17a、IL17f和IL22)對維持腸道屏障功能非常重要。

       

      進一步分析發現CD4+CD8αα+ IELs選擇性地表達兩種核受體: HNF4α和HNF4γ,這兩種受體腸道上皮細胞dFA代謝的關鍵調節因子。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中免疫信號相關基因的表達,發現這些免疫基因在Hnf4g缺陷的IECs中沒有下調,這表明在Hnf4g缺陷小鼠中存在一種特殊的調節IELs的機制。

       

      接下來,他們探索了HNF4γ是否通過過繼形式將Hnf4g充足的或缺乏Hnf4g的初始CD 4+T細胞轉移到Tcrb基因敲除小鼠體內來調節CD 4+T淋巴細胞內的CD4+CD8αα+ IELs。轉移Hnf4g缺乏的原始CD 4+ T細胞的小鼠回腸CD4+CD8αα+ IEL表型與缺乏Hnf4g的小鼠或喂食少量食物的小鼠相似。這一結果表明,HNF4γ對回腸CD4+CD8αα+ IELs具有內在的調節作用。

       

      為確定腸道CLAs是否通過HNF4γ調節回腸CD4+CD8αα+ IELs,研究者用六種膽汁酸(CA、CDCA、UDCA、TCA、TCDCA和TUDCA)混合乳化的CLAs治療Hnf4g缺陷小鼠,發現CLA-BA混合物能夠恢復低營養飲食的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軸在調節這種IEL群體中起著關鍵作用。

       


      圖3  腸道CLAs通過HNF4γ調節上皮內CD4+CD8αα+細胞

       

      HNF4γ通過IL-18受體下調ThPOK

       

      隨后,研究者進一步探究CLA-HNF4γ軸調節CD4+CD8αα+ IELs的機制。三個表達CD8 α的TCRβ+ IEL亞群的轉錄組比較顯示,CD4+CD8αα+ IELs高水平表達IL13ra1IL18r1。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缺乏或低營養飲食不會影響回腸IL-18水平,但HNF4γ可以結合回腸CD4+ IELs中IL18r1位點的轉錄起始位點(TSS)。

       

      他們還發現低營養飲食導致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重要的。進一步實驗發現在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ThPOK,使CD4+CD8αα+ IELs分化(圖4)。



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

       

      CLA-HNF4γ軸調控腸道感染

       

      CD4+CD8αα+ IELs已被報道可維持腸道內環境。因此,研究者分析了CLA-HNF4γ級聯是否調節鼠傷寒沙門氏菌(Salmonella typhimurium,STm)感染模型中的腸道炎癥反應。他們發現飼料中添加CLA可以恢復小鼠回腸的CD4+CD8αα+ IELs。此外,給予CLA+低營養飲食的小鼠對STm感染的抵抗力與營養豐富飲食的小鼠相同,而單純喂食低營養飼糧的小鼠表現出更高的死亡率、嚴重的上皮破壞、血清炎癥細胞因子水平增加以及更多細菌傳播到非腸道器官等不良癥狀。因此,CD4+ T細胞中的HNF4α信號在STm感染的控制中是少不了的。然而,Hnf4g缺陷小鼠比同窩出生的小鼠更容易感染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軸可調控腸道感染程度。



      圖5   CLA-HNF4γ軸控制腸粘膜感染

       

      該研究通過靶向代謝分析結合體內外機制探索,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絡調控機體黏膜穩態與抗感染免疫的新型功能機制。

       

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      參考文獻

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

       

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