本文由墨玉曼巴編譯，董小橙、江舜堯編輯。

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原名：Innate Immune Influences on the Gut Microbiome: Lessons from Mouse Models

譯名：固有免疫對(duì)腸道微生物的影響：由老鼠模型得出

期刊：Trends in Immunology

IF：14.188

發(fā)表時(shí)間：2018年

通信作者：Dana J. Philpott

通信作者單位：多倫多大學(xué)免疫學(xué)院

1.     微生物與人類的關(guān)系

人類的健康依賴于腸道免疫系統(tǒng)和常駐微生物群落之間穩(wěn)定可恢復(fù)的共生關(guān)系。腸道微生物群落的組成和多樣性的改變，稱為菌群失調(diào)。菌群失調(diào)與許多人類疾病有關(guān)，例如炎癥性腸?。?/span>IBD），其包括克羅恩病和潰瘍性結(jié)腸炎。IBD與固有免疫基因的突變有關(guān)。因此，在IBD疾病患者中，宿主免疫功能失調(diào)和微生態(tài)失衡之間的關(guān)聯(lián)可能是受免疫因子控制的機(jī)體產(chǎn)物引起的。

IBD可能是起源于微生物群落與微生物生態(tài)失調(diào)引起的免疫應(yīng)答。因此，腸道免疫系統(tǒng)重塑腸道菌群這一想法贏得了廣泛關(guān)注。然而，我們對(duì)著這一領(lǐng)域還不是十分了解。很大程度上是由于缺少對(duì)腸道內(nèi)部生態(tài)系統(tǒng)運(yùn)作機(jī)制即微生物群落的了解。本文中，我們介紹腸道菌群和免疫系統(tǒng)的知識(shí)，并探討固有究免疫系統(tǒng)如何在體內(nèi)平衡和炎癥反應(yīng)期間重塑腸道微生物群落。

2.     疾病中的微生態(tài)失調(diào)：是雞還是雞蛋？實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的重要性

研究人員通常使用功能缺失的動(dòng)物模型研究宿主免疫和疾病表型之間的關(guān)系。然而，腸道微生物群落在許多旨在分離基因驅(qū)動(dòng)的小鼠研究中一直是重要且未被充分認(rèn)識(shí)的混雜變量。因此，由于缺乏對(duì)基因功能清楚的認(rèn)識(shí)，一些缺少嚴(yán)格控制變量的試驗(yàn)?zāi)Ｐ停ㄒ吧?/span>WT和敲除組KO）應(yīng)用于疾病研究中。導(dǎo)致我們不可能完全了解疾病研究中基因型對(duì)于腸道微生物群落的影響。

使用標(biāo)準(zhǔn)的方法均一化WT和KO的腸道微生物群落，即使用F2代同窩產(chǎn)生的雜合子（圖1）。這種方法可以確保窩內(nèi)包含WT(+/+)和KO(-/-)基因型并都有相同的微生物群落且生長(zhǎng)環(huán)境一致。另一個(gè)方法是控制變量，控制影響實(shí)驗(yàn)動(dòng)物腸道微生物群落的變量，包括：具有相同腸道微生物菌群的WT和KO和從WT和KO幼崽開(kāi)始進(jìn)行研究等。每種方法都有一定的缺點(diǎn)。此外，我們感興趣的基因?qū)δc道微生物群落的影響可能難以確定。還有重要的一點(diǎn)是，研究設(shè)計(jì)中缺乏標(biāo)準(zhǔn)化的腸道微生物群落往往會(huì)妨礙了解疾病模型中免疫調(diào)節(jié)的特定機(jī)制。

圖1 小鼠疾病模型中微生物群落的基線控制方法。

3.     體內(nèi)平衡：固有免疫對(duì)微生物群落的影響很小

3.1 以巖藻糖轉(zhuǎn)移酶2 （FUT2）為例

在體內(nèi)平衡期宿主“培育”腸道微生物群落這一想法最初是在研究缺乏O-糖基化基因的小鼠中提到的，例如Fut2，負(fù)責(zé)在腸上皮細(xì)胞表面增加巖藻糖的一種酶。特別是，大量微生物配體系統(tǒng)激活Toll樣受體（TLRs）增加了小鼠上皮細(xì)胞的巖藻糖基化。這些宿主衍生的聚糖大部分被腸道微生物作為代謝底物消耗掉了。此外，全基因組關(guān)聯(lián)研究表明FUT2突變會(huì)增加患有克羅恩疾病的風(fēng)險(xiǎn)。分析FUT2突變小鼠和FUT2缺失小鼠的腸道微生物群落結(jié)構(gòu)，都鑒定到了微生物群落組成的改變，都增加了代謝碳水化合物和脂質(zhì)的微生物群落的豐度。然而，最近研究克羅恩疾病患者的結(jié)果表明，FUT2與微生物群落組成和多樣性沒(méi)有明顯的關(guān)系。因此，一個(gè)可以強(qiáng)烈的改變腸道生態(tài)系統(tǒng)的基因缺失在體內(nèi)平衡的狀態(tài)下對(duì)腸道菌群的結(jié)構(gòu)影響很小。

3.2 以髓樣分化因子（MyD88）為例

一般來(lái)說(shuō)，腸道固有免疫系統(tǒng)通過(guò)調(diào)節(jié)粘膜表面上粘液和抗菌物質(zhì)的分泌來(lái)塑造腸道微生物群落的整體生態(tài)，這些粘液表面將宿主與腸道微生物群落分開(kāi)。基因缺陷大大減少了傳感模式識(shí)別受體的功能，主要是TLR或Nod樣受體（NLR）蛋白，已被假設(shè)可以改變腸道的免疫全局，從而改變腸道微生物群的組成和功能。例如，TLRs通過(guò)接頭蛋白MyD88來(lái)檢測(cè)大量微生物配體和信號(hào)。MyD88對(duì)于在結(jié)腸中表達(dá)抗菌基因是必不可少的，這些抗菌基因主要是在上皮細(xì)胞中編碼RegIIIβ和RegIIIγ。細(xì)菌豐度的差異是否會(huì)誘導(dǎo)基因表達(dá)的變化，在沒(méi)有同窩對(duì)照的情況下難以確認(rèn)。然而，另一研究發(fā)現(xiàn)，MyD88缺失的小鼠中小腸上皮細(xì)胞表面的細(xì)菌豐度明顯增加，而管腔內(nèi)細(xì)菌沒(méi)有明顯變化。這一研究表明，盡管MyD88可能沒(méi)有調(diào)節(jié)腸道內(nèi)全部細(xì)菌，但是可以通過(guò)激活RegIIIγ促進(jìn)微生物從小腸上皮分離造成物理隔離而起到加強(qiáng)上皮細(xì)胞屏障的作用。因此，采樣位置可能是研究MyD88的一個(gè)重要的考慮因素。

3.3 以NLRP6炎癥復(fù)合物為例

Nlrp6是NLR受體，在小腸和直腸的腸細(xì)胞和杯狀細(xì)胞中高度表達(dá)，形成的胞質(zhì)蛋白復(fù)合物是一種炎癥復(fù)合物。這種炎癥復(fù)合物主要功能是通過(guò)調(diào)節(jié)尚未明確的微生物或有害的配體將其無(wú)活性酶原1裂解成活性形式，然后通過(guò)蛋白水解系統(tǒng)激活炎癥細(xì)胞因子1L-1β和1L-18。Nlrp6炎癥復(fù)合物是否可以調(diào)節(jié)小鼠腸道微生物群落仍然存在爭(zhēng)議。關(guān)于一個(gè)特性譜系Nlrp6^-/-小鼠的研究表明，Nlrp6缺失可以異常調(diào)節(jié)炎癥復(fù)合體的信號(hào)進(jìn)而允許機(jī)會(huì)致病菌和促進(jìn)引起結(jié)腸炎的細(xì)菌（例如普氏菌屬）的生長(zhǎng)。然而，最近有3項(xiàng)研究挑戰(zhàn)Nlrp6在正常腸道微生物群落下調(diào)節(jié)腸道生態(tài)系統(tǒng)的這一觀點(diǎn)。總的來(lái)說(shuō)，Nlrp6對(duì)Nlrp6^-/-和野生型小鼠的腸道微生物群落沒(méi)有明顯的影響。此外，對(duì)無(wú)菌（GF）小鼠進(jìn)行相同的糞菌移植并且收集糞便進(jìn)行測(cè)序發(fā)現(xiàn)腸道微生物群落結(jié)構(gòu)在不同基因型的小鼠中沒(méi)有明顯區(qū)別。

總體來(lái)說(shuō)，對(duì)微生物群落采用控制變量法研究后表明體內(nèi)平衡時(shí)免疫系統(tǒng)對(duì)腸道微生物群落的影響很小。即使缺少重要的功能基因，宿主的免疫系統(tǒng)和腸道微生物也可以維持一個(gè)健康的腸道環(huán)境。然而，增加采樣準(zhǔn)確度、增加微生物基因組測(cè)序深度和考慮采樣空間和時(shí)間可能會(huì)揭示免疫反應(yīng)對(duì)微生物群落的影響。我們期待更加深入的研究。

4.     免疫激活：炎癥對(duì)微生物群落的影響

IBD的特點(diǎn)在于病原微生物在腸道微生物群落中的轉(zhuǎn)變與慢性腸炎相關(guān)。IBD相關(guān)的生態(tài)失調(diào)在于微生物群落多樣性降低和致病菌的生長(zhǎng)，尤其是變形菌門。腸道微生物群落失調(diào)發(fā)生在炎癥初始發(fā)生之前還是由于持續(xù)性炎癥反應(yīng)造成了腸道微生物群落失調(diào)仍然不是十分清楚。研究克羅恩病人的腸道微生物群落發(fā)現(xiàn)在治療前后他們的腸道微生物群落發(fā)生了明顯變化，有3個(gè)相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)克羅恩病人的兄弟姐妹中檢測(cè)到了腸道微生物群落失衡但沒(méi)有炎癥反應(yīng)。然后這些發(fā)現(xiàn)由于實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ腿狈ψ銐虻姆直媛蕘?lái)形成新的診斷和治療而沒(méi)有被證實(shí)。

從另一角度來(lái)看，通過(guò)環(huán)境刺激或病原體誘導(dǎo)炎癥可以導(dǎo)致腸道微生物群落結(jié)構(gòu)發(fā)生動(dòng)態(tài)變化，反映出相關(guān)的宿主環(huán)境變化和調(diào)節(jié)一部分是由腸道免疫反應(yīng)介導(dǎo)的。炎癥初始會(huì)通過(guò)釋放抗菌物質(zhì)而強(qiáng)烈改變腸道生態(tài)，抗菌物質(zhì)創(chuàng)造一個(gè)不利的環(huán)境進(jìn)而改變腸道微生物群落。

在小鼠中，急性炎癥期間腸道微生物群落的變化類似于IBD相關(guān)的菌群失調(diào)。通常，擬桿菌門和厚壁菌門中的物種豐度減少，相對(duì)于健康機(jī)體，腸桿菌科中的細(xì)菌的豐度增高。轉(zhuǎn)錄組測(cè)序（RNA-seq）分析發(fā)現(xiàn)微生物群落基因表達(dá)主要涉及碳水化合物代謝先關(guān)的基因。最近的報(bào)道表明炎癥反應(yīng)會(huì)使小鼠模型中產(chǎn)生丁酸的微生物減少。炎癥環(huán)境是影響腸道微生物群落結(jié)構(gòu)的主要因素，腸道微生物群落也可能受免疫系統(tǒng)的間接控制。

5.     對(duì)疾病表型的影響：致病菌

在小鼠模型中，基因?qū)γ庖弑硇偷呢暙I(xiàn)有時(shí)需要特定的環(huán)境因素或特性微生物參與。一種特定的致病有機(jī)體可能對(duì)免疫表型產(chǎn)生明顯的影響。最近的研究支持了這一觀點(diǎn)，其中原生動(dòng)物鼠三毛滴蟲(chóng)的存在對(duì)粘膜免疫及腸道炎癥反應(yīng)的造成了顯著影響。

目前，描述細(xì)菌性致病有機(jī)體的研究很少。例如，節(jié)絲狀菌（SFB）會(huì)通過(guò)誘導(dǎo)產(chǎn)生大量的促炎性細(xì)胞因子Th1、Th17和調(diào)節(jié)T細(xì)胞來(lái)刺激粘膜免疫系統(tǒng)。在健康宿主沒(méi)有明顯疾病的情況下，致病菌和微生物群體可以共存，但在某些情況下，例如炎癥刺激，這些微生物可能會(huì)由于驅(qū)動(dòng)自身免疫進(jìn)而促進(jìn)疾病發(fā)展。目前，我們還無(wú)法闡明致病有機(jī)體對(duì)基因型的影響，因此也限制了我們了解致病有機(jī)體如何影響疾病表型。

6.     展望未來(lái)--微生物群落模型

實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的腸道微生物群落受多種環(huán)境因素影響，這也引發(fā)了一個(gè)問(wèn)題—實(shí)驗(yàn)的可重復(fù)性問(wèn)題。解決這一問(wèn)題的一個(gè)辦法就是所有研究人員的使用通用的小鼠模型來(lái)研究腸道微生物群落，并且都用同一套微生物群落進(jìn)行定植。然而，這是一種理想狀態(tài)，實(shí)施起來(lái)有極大的難度，這需要研究人員用統(tǒng)一來(lái)源的無(wú)菌動(dòng)物，在全世界范圍內(nèi)使用單一的動(dòng)物飼料和籠子等。即便是最好的研究員可能都不足以支付這么高的費(fèi)用。

一些研究人員選擇有經(jīng)過(guò)抗生素處理的或GF小鼠作為研究對(duì)象，以降低菌種和群落水平與宿主相互作用的復(fù)雜性。通過(guò)使用移植一種或幾種微生物群落的GF小鼠，已經(jīng)證實(shí)了一些特定微生物群落與免疫細(xì)胞之間的關(guān)系。然而，這些研究都過(guò)于簡(jiǎn)單且隨著微生物群落的復(fù)雜程度的升高而觀察難度加大。建立不同配置的微生物群落模型，包括稀有的菌種已經(jīng)成為可能，這得益于能夠培養(yǎng)來(lái)源于腸道的厭氧細(xì)菌和廣泛的應(yīng)用GF小鼠。隨著技術(shù)的發(fā)展，我們很快會(huì)對(duì)更多腸道微生物群落的功能有更深入的了解。

結(jié)語(yǔ)

目前，我們對(duì)腸道免疫系統(tǒng)的了解高于對(duì)腸道菌群的了解。是否采用控制變量研究宿主免疫對(duì)疾病模型中腸道微生物群落的影響至關(guān)重要。實(shí)驗(yàn)小鼠有明顯區(qū)別于人的免疫學(xué)特征，這限制了我們將小鼠研究得出的結(jié)論直接應(yīng)用于人類疾病方面。然而，隨著技術(shù)的發(fā)展，我們可能在未來(lái)幾年達(dá)到前所未有的進(jìn)步。關(guān)于免疫系統(tǒng)和腸道微生物群落如何相互作用機(jī)制的研究需要新技術(shù)的發(fā)展。這些新技術(shù)將開(kāi)啟闡述疾病機(jī)制的大門，并有希望開(kāi)發(fā)出治療和診斷IBD和其他炎癥疾病的新方法。

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