論文ID

原名：Nutrients Mediate Intestinal Bacteria–Mucosal Immune Crosstalk

譯名：營養(yǎng)素介導(dǎo)腸道細(xì)菌-粘膜免疫互作

期刊：Frontiers in Immunology

IF：6.429

發(fā)表時(shí)間：2018年

通信作者：Xi Ma

通信作者單位：中國農(nóng)業(yè)大學(xué)

綜述內(nèi)容

1、腸道菌群與先天免疫系統(tǒng)互作

物理障礙、先天免疫細(xì)胞和分子構(gòu)成了先天免疫系統(tǒng)，這是抵御病原體感染的第一道防線。在腸道內(nèi)，嗜中性粒細(xì)胞和巨噬細(xì)胞通過模式識別受體(PRRs)識別和響應(yīng)微生物群落的異常變化以調(diào)控腸道菌群。PRRs識別微生物相關(guān)分子模式(MAMP)，主要包括肽聚糖，鞭毛蛋白，脂多糖(LPS)和微生物的核酸結(jié)構(gòu)。一些通過營養(yǎng)發(fā)酵的細(xì)菌代謝物也被PRRs識別，如丁酸鹽。

PRRs由Toll樣受體(TLR)，NOD樣受體(NLR)，RIG-I樣受體(RLR)，C型凝集素受體(CLR)。PRRs是先天性免疫系統(tǒng)中不可或缺的成分，研究報(bào)道表明，PRRs同時(shí)參與適應(yīng)性免疫反應(yīng)。本文主要關(guān)注2個(gè)重要的PRRs亞家族TLR和NLR，這是了解細(xì)菌-宿主交互作用的非常典型的例子(圖1)。

圖 1

2、腸道細(xì)菌與粘膜屏障之間的互作

腸道粘膜是一個(gè)動(dòng)態(tài)界面，包含上皮單層，它在機(jī)構(gòu)上將腸道相關(guān)淋巴組織與共生菌群落分隔。在功能上，腸道粘膜屏障是通過粘液層，腸細(xì)胞和緊密連接的協(xié)作共同防御病原體侵入的第一道自然防線。

消化道中的胃酸和蛋白質(zhì)水解酶消化了進(jìn)入腸道的大部分病原體。但是，仍然存在一些頑固性細(xì)菌，如幽門螺桿菌，它們通過改變周圍環(huán)境的pH值，在酸性環(huán)境中存活。因此，上皮細(xì)胞間形成的緊密連接是防止病原體侵入的直接屏障。然而，一些病原體，例如許多腸桿菌科細(xì)菌，可以破壞腸上皮完整性和減少粘液分泌，此外，鼠傷寒沙門氏菌可引起腹瀉，傷寒和胃腸炎。

此外，粘膜屏障和腸道病原體之間的相互作用需要共生細(xì)菌的參與，這不僅有助于抵御病原體，而且保持粘膜完整性和屏障功能。結(jié)腸的內(nèi)粘液層將菌群與上皮細(xì)胞隔離的能力取決于定植的菌群向宿主上皮細(xì)胞傳遞信號。

無菌(GF)小鼠的若干實(shí)驗(yàn)證實(shí)了共生細(xì)菌的必要性。據(jù)報(bào)道，腸道接觸細(xì)菌是刺激粘液合成的充分途徑。同時(shí)，粘液的成熟度和豐度也依賴于腸道細(xì)菌。類似的研究發(fā)現(xiàn)，在GF小鼠中，即使粘液結(jié)構(gòu)與常規(guī)小鼠的相似，小腸粘液也會(huì)附著在上皮上，并且結(jié)腸內(nèi)部粘液層可被細(xì)菌滲透。此外，GF小鼠的Muc2 O-聚糖水平較低，這可能與負(fù)責(zé)O-聚糖延伸的糖基轉(zhuǎn)移酶降低相關(guān)。有趣的是，考慮到聚糖是細(xì)菌的附著位點(diǎn)和能量來源，Muc2O-糖基化的減少反過來會(huì)阻礙細(xì)菌定植。

另外，在缺乏共生菌的情況下，腸上皮細(xì)胞(IECs)和緊密連接受損。在GF小鼠中，緊密連接蛋白即occludin和zonulaoccludens-1的表達(dá)減少。與常規(guī)小鼠相比，刷狀緣上的腸上皮細(xì)胞的排列更不規(guī)則。但是，在乳酸桿菌定居后，微絨毛的排列組織良好。益生菌對腸道屏障的修復(fù)功能和益處也在Akkermansia muciniphila中得到證實(shí)，其潛在機(jī)制可能與調(diào)節(jié)腸粘液的厚度以維持腸屏障的完整性有關(guān)。

3、TLRs與腸道菌群互作

包括由上皮細(xì)胞表達(dá)的TLR在內(nèi)的模式識別受體(PRRs)，可以識別共生細(xì)菌的MAMPs并調(diào)節(jié)共生菌和宿主之間的互作。與MAMP識別后，TLR形成同型或異源二聚體以募集含有TLR結(jié)構(gòu)域的銜接蛋白，如MYD88，TIRAP，TRIF或TRAM，進(jìn)而激活轉(zhuǎn)錄因子，包括NF-κB，激活蛋白1，IRF-3和IRF-7。宿主的微生物群組成受到TLRs及其接頭蛋白狀態(tài)的影響。TLR信號傳導(dǎo)缺陷和內(nèi)源性微生物群紊亂引起的異常免疫反應(yīng)是造成IBD患者炎癥和組織損傷持續(xù)存在的主要因素之一。

迄今為止，已經(jīng)確定了13種不同的TLR。據(jù)報(bào)道，在抗生素處理的小鼠中回腸TLR4，TLR5和TLR9以及結(jié)腸TLR3，TLR4，TLR6，TLR7和TLR8的表達(dá)增加，而回腸TLR2，TLR3和TLR6以及結(jié)腸TLR2和TLR9降低。在DSS結(jié)腸炎小鼠中TLR2和TLR4上調(diào)，TLR5表達(dá)下降，其他TLRs保持不變。不健康狀態(tài)下TLR表達(dá)呈現(xiàn)不同的變化表明TLRs之間的功能差異。

TLR2

TLR2在腸道神經(jīng)細(xì)胞和平滑肌細(xì)胞中表達(dá)，識別細(xì)菌，支原體，真菌和病毒的各種成分。Lactobacillusacidophilus NCFM(嗜酸乳桿菌NCFM)通過TLR2途徑(圖1B)促進(jìn)小鼠骨髓樹突狀細(xì)胞(mDC)表達(dá)抗病毒基因，如粘液病毒抗性1，IFN-β和干擾素刺激基因56。另一項(xiàng)研究表明，德氏乳桿菌TUA4408L(Ld)抑制產(chǎn)腸毒素大腸桿菌987P感染引起的豬的IECs的炎癥反應(yīng)(圖1C)。而TLR2是Ld緩解炎癥反應(yīng)所必需的。通過TLR2/ TLR6途徑，Bifidobacteriuminfantis 35624 (雙歧桿菌35624)增加了人mDC和單核細(xì)胞來源的DC的IL-10分泌。最近的一項(xiàng)研究報(bào)道了脆弱桿菌的多糖A可以激活TLR2并促進(jìn)抗炎細(xì)胞因子IL-10的分泌。此外，TLR2還可誘導(dǎo)炎性疾病中的NF-κB的活化，促進(jìn)17細(xì)胞應(yīng)答以增強(qiáng)炎癥響應(yīng)。所以，TLR2信號既可以誘導(dǎo)促炎反應(yīng)，也可以誘導(dǎo)抗炎反應(yīng)。而多樣化的免疫反應(yīng)依賴于它的共同受體和微環(huán)境。

TLR4

TLR4是第一個(gè)發(fā)現(xiàn)并且研究得比較透徹的TLRs，它通過調(diào)節(jié)先天免疫來維持腸道微生物耐受性和炎癥之間的平衡。已知IFN-γ和TNF-α誘導(dǎo)的TLR4信號可促進(jìn)炎癥。IBD患者的上皮TLR4表達(dá)增加，且與上皮屏障受損和上皮細(xì)胞分化改變相關(guān)。研究證實(shí)TLR4在CD14和MD2的幫助下識別微生物表面的LPS。此外，研究還表明TLR4在不同腸道區(qū)域中的差異表達(dá)主要由該區(qū)域的細(xì)菌組成。

反過來，上皮TLR4表達(dá)也會(huì)調(diào)控腸道微生物群。TLR4過表達(dá)的特征是細(xì)菌移位和粘膜相關(guān)細(xì)菌密度增加。更具體地是，結(jié)腸粘膜中的Fusobacteria(梭菌屬)、Proteobacteria(變形菌門)減少，F(xiàn)irmicutes(厚壁菌)增加，與IBD患者類似。另外，Lachnospiraceae(毛螺菌科)和革蘭氏陽性菌Coriobacteria(紅蝽菌)的增加也很顯著。同時(shí)，Paneth細(xì)胞數(shù)量減少，其在限制共生菌滲透和病原菌入侵黏膜發(fā)揮作用)。一些研究還發(fā)現(xiàn)，上皮TLR4信號傳導(dǎo)增加與抗微生物肽(AMP)基因的表達(dá)改變相關(guān)。Reg3g和Lyz2增加不僅可以調(diào)節(jié)粘膜微生物群的組成，而且可以提供防止細(xì)菌與粘膜接觸的第一道防線?？傊?，TLR4和腸道微生物之間的雙向調(diào)節(jié)確實(shí)存在，并最終改變宿主對結(jié)腸炎的易感性。

TLR5

TLR5是跨膜蛋白，在腸粘膜中高度表達(dá)，有助于防御感染。TLR5識別鞭毛蛋白，負(fù)責(zé)響應(yīng)侵襲性細(xì)菌，并通過增加IgA的分泌和增強(qiáng)Th1和Th17的分化引發(fā)一系列促炎反應(yīng)。TLR5識別鞭毛蛋白不僅可以介導(dǎo)細(xì)菌的運(yùn)動(dòng)，還可以防御鞭毛型病原體。與NLRC4不同，TLR5可以特異性調(diào)控共生菌群，并有效地消除可能促進(jìn)疾病的病原體。據(jù)報(bào)道，IECs缺乏TLR5足以導(dǎo)致低度炎癥、代謝綜合征、易患結(jié)腸炎和微生物群成分失調(diào)。具體而言，鞭毛蛋白受體TLR5的缺失導(dǎo)致細(xì)菌經(jīng)常破壞粘液屏障而接觸或越過上皮細(xì)胞，但也導(dǎo)致鞭毛蛋白型的細(xì)菌水平增加。在這個(gè)過程中，LPS和鞭毛蛋白水平的升高與微生物群的改變相關(guān)。

因此，上述結(jié)果意味著在TLR上存在精確的MAMP識別機(jī)制以確保對細(xì)菌的準(zhǔn)確反應(yīng)。同時(shí)，腸道病原體和共生細(xì)菌的組成和活性也受TLR信號調(diào)節(jié)。最重要的是，在MAMP識別中彼此協(xié)作的不同TLR以相對獨(dú)立的方式與腸道菌相互作用。

4、NLRs與菌群互作

NLR位于細(xì)胞質(zhì)中，具有2個(gè)亞家族：NLRC和NLRP。NLRC亞家族的成員有NOD1、NOD2、NLRC4、NLRX1、NLRC3和NLRC5。NLRP亞家族由14個(gè)具有pyrin結(jié)構(gòu)域的蛋白質(zhì)組成。

NOD樣受體對于識別細(xì)菌以調(diào)控健康的腸道微環(huán)境必不可少。多項(xiàng)研究表明，缺乏NOD1，NOD2或NLPR6的小鼠的細(xì)菌組成發(fā)生改變。

NOD1和NOD2

在NLRs中，NOD1和NOD2是最先鑒定的，在病原體識別中發(fā)揮重要作用。相反，腸道菌群組成的改變和易位可以調(diào)節(jié)NOD1和NOD2的信號傳導(dǎo)。在粘膜免疫系統(tǒng)中，NOD1和NOD2與配體結(jié)合，激活與受體相互作用蛋白家族2和NF-κB通路。

據(jù)報(bào)道，NOD1識別革蘭氏陰性菌的d-谷氨酰內(nèi)消旋-二氨基，NOD2識別胞壁酰二肽(肽聚糖的代謝物)。非侵入性幽門螺桿菌感染依賴于NOD2信號傳導(dǎo)(圖1D)。研究表明，NOD1對于防止非侵襲性艱難梭菌和Spi1缺陷型沙門氏菌突變體感染是必不可少的(圖1E)。在缺乏NOD2的情況下，擬桿菌(Bacteroidesvulgatus)增加、炎癥反應(yīng)加劇、杯狀細(xì)胞功能障礙和炎性基因異常表達(dá)。

研究證實(shí)了NOD對共生菌的調(diào)控功能。但是，依然存在一些矛盾。NOD1缺陷小鼠的擬桿菌、梭狀芽孢桿菌、腸桿菌科和節(jié)支分支桿菌(SFB)異常擴(kuò)增。然而，另一項(xiàng)研究報(bào)道，NOD1缺陷小鼠和野生型同窩小鼠之間的目標(biāo)菌群的相對豐度無顯著差異。最近，霍亂毒素(CT)的佐劑依賴于CD11c+細(xì)胞的NOD2識別共生細(xì)菌，并通過cAMP/ PKA增強(qiáng)NOD2活性。

NLRC4

NLRC4是NLRC亞家族的另一成員，其在上皮隱窩中表達(dá)并在腸道健康中發(fā)揮重要作用。NLRC4早期識別檸檬酸桿菌對于調(diào)節(jié)其定植和減輕腸道損傷是必需的(圖1F)。

沙門氏菌感染后，IEC的NAIP與細(xì)菌配體如鞭毛蛋白結(jié)合，然后激活NLRC4形成炎性體，進(jìn)一步激活下游的Caspase-1或Caspase-8。據(jù)報(bào)道，Caspase-1的激活導(dǎo)致IEC死亡，IL-8和花生酸釋放。另外，由NLRC4的下游信號致敏的Caspase-8也具有消除IEC的能力。矛盾的是，在這個(gè)過程中，Caspase-8對沙門氏菌感染的保護(hù)和致病作用可能都會(huì)發(fā)生。

NLRP3

NLRP3，NLRP6和NLRP12是先天免疫的調(diào)節(jié)劑。最近的一項(xiàng)研究報(bào)道，NLRP6缺陷小鼠擬桿菌和TM7比例增加。NLRP12是編碼先天免疫負(fù)調(diào)節(jié)劑的基因，潰瘍性結(jié)腸炎患者與NLRP12的低表達(dá)有關(guān)。NLRP12在小鼠體內(nèi)的缺乏可增加結(jié)腸的炎癥水平，降低微生物的密度，消除螺旋藻科的保護(hù)性菌株，促進(jìn)屬于Erysipelotrichaceae以及與結(jié)腸炎有關(guān)的菌株豐度。

NLRP3是炎癥小體的組成部分。研究表明，腸道NLRP3過度活躍更可能維持動(dòng)態(tài)平衡并對結(jié)腸炎和結(jié)腸直腸癌具有較強(qiáng)的抵抗力。IBD的腸炎癥組織的miR-223的表達(dá)增加，研究發(fā)現(xiàn)，在缺乏miR-223的情況下，NLRP3在結(jié)腸和髓質(zhì)細(xì)胞中的表達(dá)增加。此外，炎癥單核細(xì)胞中的miR-223可直接介導(dǎo)NLRP3的表達(dá)，從而減輕炎癥細(xì)胞的活性并抑制結(jié)腸炎。

NLRP3與腸道微生物群的相互作用也是至關(guān)重要的。NLRP3過度活躍可以增強(qiáng)固有層的單核吞噬細(xì)胞IL-1β而不是IL-18的分泌，并增加局部AMP來促進(jìn)菌群的重建，進(jìn)而進(jìn)一步促進(jìn)Treg的誘導(dǎo)和抗炎反應(yīng)。

由于許多PRRs在免疫應(yīng)答中發(fā)揮復(fù)雜、且矛盾的作用，因此有必要探索大多數(shù)PPRs在不同微環(huán)境下的基本識別機(jī)制，以及他們之間如何相互作用將共生菌從有害細(xì)菌中區(qū)分開來，以維持腸道動(dòng)態(tài)平衡?？傊蠖鄶?shù)PPR缺陷導(dǎo)致細(xì)菌群體組成異常。健康的先天免疫系統(tǒng)有助于腸道菌組成的優(yōu)化，先天免疫系統(tǒng)的失調(diào)可能導(dǎo)致腸道菌群紊亂，可能導(dǎo)致疾病。

5、腸道菌群與適應(yīng)性免疫系統(tǒng)的互作

通常，適應(yīng)性免疫在病原體感染后幾天開始，并產(chǎn)生與先天免疫系統(tǒng)配合的細(xì)胞因子和特異性抗體，以防止隨后的病原體入侵。T細(xì)胞和B細(xì)胞是參與適應(yīng)性免疫應(yīng)答的2種主要免疫細(xì)胞。在適應(yīng)性免疫應(yīng)答期間，會(huì)進(jìn)一步誘導(dǎo)記憶性T和B細(xì)胞產(chǎn)生二次免疫應(yīng)答。

在腸道中，病原體和共生菌都是誘導(dǎo)適應(yīng)性免疫應(yīng)答的有效刺激物。相反，適應(yīng)性免疫系統(tǒng)也是抵抗病原體入侵和調(diào)節(jié)共生菌群的有力武器。適應(yīng)性免疫系統(tǒng)的損害可能導(dǎo)致腸道菌群異常和失衡。本章節(jié)重點(diǎn)討論菌群變化和適應(yīng)性免疫反應(yīng)的雙向效應(yīng)，包括T細(xì)胞分化和分泌性免疫球蛋白A(SIgA)的分泌。

細(xì)菌和Th1,Th2 , Th17, Treg的細(xì)胞分化和細(xì)胞毒性淋巴細(xì)胞是通過細(xì)胞因子產(chǎn)生來調(diào)節(jié)適應(yīng)性免疫應(yīng)答的主要效應(yīng)T細(xì)胞。Th17細(xì)胞產(chǎn)生促炎細(xì)胞因子，如IL-17，IL-21和IL-22，以增強(qiáng)炎癥。Treg細(xì)胞分泌抗炎細(xì)胞因子IL-10以減輕炎癥。Th17和Treg細(xì)胞分化之間的動(dòng)態(tài)平衡是通過調(diào)節(jié)細(xì)胞因子如IL-6，IL-21和IL-2介導(dǎo)的。

在腸道內(nèi)，一些細(xì)菌或某些已知的細(xì)菌混合物可影響T細(xì)胞的生成和分化。最近的研究表明SFB誘導(dǎo)Th17細(xì)胞在固有層的局部分化。此外，SFB與腸上皮細(xì)胞的粘附通過產(chǎn)生血清淀粉樣蛋白A和活性氧物質(zhì)誘導(dǎo)Th17積聚。此外，DC呈遞的SFB的抗原依賴于MHCII (圖2)。一些共生菌，毛螺旋菌科(Lachopiraceae) 的A4菌通過CBir1抗原誘導(dǎo)TGF-β的產(chǎn)生來抑制Th2細(xì)胞發(fā)育(圖2)。幾個(gè)團(tuán)隊(duì)也研究了梭菌定殖對T細(xì)胞分化的影響，發(fā)現(xiàn)梭狀芽胞桿菌(Clostridia)可誘導(dǎo)Treg細(xì)胞的擴(kuò)增以抑制結(jié)腸炎小鼠的炎癥反應(yīng)(圖2)。相反，在GF小鼠中，定殖的腸道菌和富含LPS的無菌飲食誘導(dǎo)PP和MLN中的T和B細(xì)胞增殖和分化，尤其是MLN中的CD4+Foxp3 + T細(xì)胞。

此外，細(xì)菌產(chǎn)物如多糖也可影響T細(xì)胞分化。來自脆弱類桿菌的多糖A(PSA)促進(jìn)Treg細(xì)胞分泌，抑制Th17活性以增強(qiáng)其腸道定植(圖2)。編碼兩性離子莢膜多糖(ZPS)的細(xì)菌的基因組篩選發(fā)現(xiàn)，ZPS可激活T細(xì)胞功能。產(chǎn)生ZPS的細(xì)菌的裂解物依賴于抗原呈遞細(xì)胞(APC)刺激Treg細(xì)胞的分化和IL-10的產(chǎn)生(圖2)。

圖 2

此外，T細(xì)胞的缺乏也會(huì)引起菌群的改變。據(jù)報(bào)道，Dishevelled1(Dvl-1)是Wnt/β-catenin途徑的重要蛋白質(zhì)，其控制T細(xì)胞祖細(xì)胞的增殖并調(diào)節(jié)T細(xì)胞發(fā)育和Treg細(xì)胞活化。在Dvl-1敲除小鼠中，通過促進(jìn)機(jī)會(huì)性病原體生長，例如螺桿菌(Helicobactermastomyrinus)和抑制共生菌生來改變腸道細(xì)菌組成。

基于上述研究，可以推測調(diào)節(jié)T細(xì)胞分化是腸道共生菌在腸道內(nèi)維持自身生存的機(jī)制。同時(shí)，T細(xì)胞的正常發(fā)育和分化對微生物群落的塑造也發(fā)揮作用，并且是維持腸道微生物體內(nèi)平衡所需的。

6、腸道菌與SIgA分泌的關(guān)系

SIgA是腸道粘膜中最豐富的抗體。它由IgA二聚體和分泌成分(聚合型免疫球蛋白受體衍生多肽)組成，這個(gè)分泌組分由腸細(xì)胞分泌以穩(wěn)定SIgA的結(jié)構(gòu)并將SIgA固定在粘液上。PP和MLN的淋巴結(jié)是SIgA的主要分泌部位。一般來說，大多數(shù)SIgA的產(chǎn)生依賴于T細(xì)胞。

細(xì)菌抗原刺激時(shí)，PP中的IgA+B細(xì)胞通過淋巴細(xì)胞歸巢轉(zhuǎn)移至腸基質(zhì)層以產(chǎn)生IgA并將其分泌至腸腔中。SIgA可以聚集潛在的和侵入性病原體，通過腸蠕動(dòng)和粘膜纖毛運(yùn)動(dòng)來促進(jìn)病原體的清除。此外，SIgA-病原復(fù)合物可被M細(xì)胞吞噬并被DC識別以增強(qiáng)免疫應(yīng)答。該復(fù)合物還可以與T細(xì)胞結(jié)合誘導(dǎo)IL-4，IL-10和TGF-β的產(chǎn)生。然而，SIgA將共生菌與有害菌區(qū)分的機(jī)制仍不清楚，需要更多的研究來探索潛在的途徑。

IgA也是維持宿主-細(xì)菌穩(wěn)態(tài)的重要貢獻(xiàn)者。在沒有IgA的情況下，激活誘導(dǎo)的胞嘧啶核苷脫氨酶缺陷小鼠(AID?/?小鼠)的Firmicutes豐度更好，SFB增加。另據(jù)報(bào)道，γ-變形菌門特異性IgA應(yīng)答部分受到新生細(xì)菌向成熟細(xì)菌轉(zhuǎn)化的調(diào)節(jié)。目前，一項(xiàng)深入研究發(fā)現(xiàn)IgA介導(dǎo)的腸內(nèi)穩(wěn)態(tài)和細(xì)菌組成的改變是由腸道T細(xì)胞中的MyD88信號引導(dǎo)的。此外，限制腸道共生菌的生長和炎癥反應(yīng)并維持其多樣性可能是IgA調(diào)節(jié)細(xì)菌穩(wěn)態(tài)的兩種潛在機(jī)制。