Variationin Microbiome LPS Immunogenicity Contributes to Autoimmunity inHumans

微生物LPS免疫原性的改變在人體自身免疫中的作用

背景介紹：在過去幾十年，健康醫(yī)療界已觀察到一個有趣的現(xiàn)象：與免疫系統(tǒng)相關(guān)的疾病---1型糖尿病、過敏癥和其他自身免疫疾病等等---在繁榮的現(xiàn)代經(jīng)濟體中比較普遍，而在發(fā)展中世界并不那么明顯。一種解釋這種奇特的健康現(xiàn)象的流行理論是“衛(wèi)生假說（hygiene hypothesis）”。這一理論基于一個前提：在生命早期接觸病原體實際上有利于人免疫系統(tǒng)的訓(xùn)練和發(fā)育，而令人諷刺地，“西方化的”國家中的良好衛(wèi)生條件破壞了我們的自然免疫力（natural immunity, 也譯作先天免疫性）。

科學問題：研究宿主-腸道微生物在先天免疫疾?。ㄈ邕^敏反應(yīng)）中的相互作用，尋找腸道菌群中對于宿主自身免疫疾病有益或者有害的微生物類群；

研究對象：研究比較三個國家1000個3年以內(nèi)出生的嬰兒。每月收集糞便樣品及臨床表型數(shù)據(jù)，獲得785份樣品，本研究在每個國家中均選擇了74個嬰兒；

調(diào)查問卷：母乳喂養(yǎng)、飲食、過敏、感染、家族遺傳病史、用藥、臨床檢測等；

研究思路：株水平鑒定微生物，確定早期腸道微生物的組成、多樣性及穩(wěn)定性。對微生物群落、基因家族與基因通路進行定量，確定腸道菌群與先天免疫分子機制的關(guān)聯(lián)。

糞便樣品的分布

經(jīng)初步調(diào)查發(fā)現(xiàn)：

• 三個國家所有個體HLA-conferred的自身免疫易感性有所增加;

• 芬蘭與愛沙尼亞I型糖尿病相關(guān)的特異致敏性抗體較高;

• 芬蘭衛(wèi)生條件更好，而年齡大的兒童（7-15歲）接觸病原菌更多。

1. 比較三個國家菌群組成

方法：出生年齡在170-260天的嬰兒，共1,584樣品進行16SrRNA 測序 ，發(fā)現(xiàn)：

Figure2. Differences in Microbia  between Countries in Early Infancy

• Figure 2A（PCoA）：除年齡外，地區(qū)分布是樣品物種組成差異的主要因素，尤其是1歲以前；

• Figure 2B(屬水平隨機森林預(yù)測): 用隨機森林模型預(yù)測屬水平組成，芬蘭和俄羅斯分類準確率更好，說明樣品一致性好。

• Figure 2C 微生物門水平組成及關(guān)聯(lián)分析表明：

  芬蘭與愛沙尼亞0-3歲嬰兒擬桿菌門相對豐度一直高于俄羅斯。俄羅斯嬰兒在一歲之前放線菌門高于芬蘭與愛沙尼亞，其中主要是益生菌。

• Figure 2D 物種組成表型MaAsLin關(guān)聯(lián)分析表明：

  芬蘭與俄羅斯嬰兒擬桿菌與雙歧桿菌書存在差異，在早期發(fā)育的窗口期，雙歧桿菌可作為標記物。擬桿菌屬在芬蘭與愛沙尼亞嬰兒中更穩(wěn)定。

綜上所述，經(jīng)濟社會發(fā)展水平不同的國家的嬰兒早期腸道微生物組成有明顯不同，經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)兒童腸道中擬桿菌更高，而在原生態(tài)社會，嬰兒益生菌（雙歧桿菌）更多。

方法：785個糞便樣品宏基因組測序。metadata數(shù)據(jù)來源：

https://pubs./diabimmune/three-country cohort/resources/metadata-association-analysis

• 俄羅斯兒童在株系水平，物種的多樣性與穩(wěn)定性更高，分布更均勻；

• 擬桿菌在芬蘭與俄羅斯單株菌分布比較穩(wěn)定。

結(jié)果說明：原生態(tài)社會嬰兒早期腸道中微生物多樣性、穩(wěn)定性更高，分布更均勻（株水平）。

1. 不同地區(qū)菌群功能與代謝特征差異

方法：HUMAnN2

Figure3. Functional Differences, HMO Utilization, and Lipid A Biosynthesis

功能組成：

• Fig A: 俄羅斯嬰兒微生物功能多樣性更低，組成更簡單;

• Fig AB: 腸道微生物能利用母乳聚糖：芬蘭愛沙尼亞以擬桿菌為主，俄羅斯以雙歧桿菌為主;

• 俄羅斯嬰兒雙歧桿菌更多，但并非是由于母乳喂養(yǎng)的原因，因為芬蘭與愛沙尼亞母乳喂養(yǎng)時間相對更長；

• 脂質(zhì)A是LPS免疫刺激的亞基。LPS通過TLR4的識別與激活傳遞免疫信號。

綜上所述：經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)嬰兒早期腸道微生物功能更為復(fù)雜，多樣性更高，且菌群中利用母乳多糖的優(yōu)勢菌不同。發(fā)達地區(qū)以擬桿菌為主，而原生態(tài)地區(qū)以雙歧桿菌為主，且相應(yīng)優(yōu)勢菌產(chǎn)生的LPS也有所不同。

2. 來源于不同細菌的LPS結(jié)構(gòu)

Figure 4. Structures of LPS Molecules and Impact on TolerogenicFunction

• LPS分子結(jié)構(gòu)影響耐受功能, 擬桿菌B. dorei的LPS在病人中較常見。

綜上所述：并非所有LPS都相同！擬桿菌與大腸桿菌LPS 結(jié)構(gòu)有明顯不同，類脂A是LPS通過TLR4的識別與激活傳遞免疫信號。質(zhì)譜圖發(fā)現(xiàn)B. dorei 產(chǎn)生的類脂A有兩個峰，而來自E. coli的類脂A只有一個峰。

3. LPS的功能：先天免疫訓(xùn)練

Figure 5. Immunostimu latory Properties of LPS from Differ entBacterial Strains

• Fig A: 不同國家的嬰兒LPS 生物合成(GO: 0009103)與類脂A的生物合成（GO：0009245）有顯著差異。

• 芬蘭與愛沙尼亞嬰兒的腸道微生物產(chǎn)生的LPS更多，主要來自擬桿菌，激發(fā)的先天免疫響應(yīng)更為強烈。而俄羅斯嬰兒LPS主要來自于大腸桿菌。

Figure 5：Inductionof endotoxin tolerance by LPS from E. coli or B. dorei

• Figure5 DE：E. coli 產(chǎn)生的LPS對NF- kB依賴型的IL-10、TNFα,IL-1β,IL-6 有強烈響應(yīng)。

• B. dorei來源的LPS對先天免疫響應(yīng)的激活有劑量效應(yīng)。

• Figure5G: 來自B. dorei 的LPS會抑制PBMCs、單細胞介導(dǎo)的DC細胞因子產(chǎn)生，而來自E. coli的LPS會抑制B. dorei的 LPS對免疫系統(tǒng)的激活。

• Figure5I： 來自E.coli的LPS能體外誘導(dǎo)nNOD小鼠內(nèi)毒素耐受，而來自B.dorei的LPS不能。

綜上所述：發(fā)現(xiàn)在擬桿菌中發(fā)現(xiàn)的特定LPS并不能激活免疫系統(tǒng)，而且甚至抑制來自大腸桿菌和其他細菌的免疫激活性LPS（即激活免疫系統(tǒng)的LPS）

利用腸道菌群對HMO利用率不同可對免疫訓(xùn)練提供不同方法：

1. 人母乳聚糖能被不同微生物代謝，在俄羅斯嬰兒體內(nèi)主要是雙歧桿菌，芬蘭與愛沙尼亞主要是擬桿菌，早期菌群組成差異更明顯。

2. 不同地區(qū)嬰幼兒對先天免疫的程度不同主要是受不同細菌來源的LPS誘導(dǎo)的。

3. 芬蘭與愛沙尼亞主要的LPS是來自擬桿菌，產(chǎn)生的LPS更多，而俄羅斯主要是來自大腸桿菌，B. dorei的 LPS能抑制 E.coli LPS的免疫激活，擬桿菌LPS無法誘導(dǎo)內(nèi)毒素耐受，導(dǎo)致自身免疫活性增強。