肠道微生物组系列文献解读

 

 

/文献名称/

Mucosal fungi promote gut barrier function and social behavior via type 17 immunity

/中文名称/

粘膜真菌通过17型免疫促进肠道屏障功能和社会行为

本研究首先对胃肠道的真菌进行了特征分析，鉴定了与小鼠和人类肠粘膜相关的真菌亚群。粘膜相关真菌（MAF）使肠道上皮功能得到增强，能够保护小鼠免受肠道损伤和细菌感染。并且，本研究还发现，MAF定殖可以促进小鼠的社会行为。

其机理为，MAF可影响肠道上皮细胞的转录，通过CD4+T细胞产生的IL-22保护肠道局部的屏障功能。而对社会行为的影响是通过神经元IL-17R通路信号来完成的。

 

研究背景

 

哺乳动物的胃肠道（GI）内同时存在着细菌、病毒、原虫和真菌等多种微生物群，不同位置肠道的生理机能也存在巨大不同，形成了独立的肠道微生态。而粘膜相关的微生物群通过与底层的上皮细胞及粘膜免疫细胞的相互作用，具有诱导宿主保护性免疫的能力。

目前肠道的病理研究已证实了调节肠道微生物群对宿主行为和神经系统疾病的影响。除了肠道菌群可以影响从免疫发育到行为的广泛的生理过程外，越来越多的研究表明肠道真菌参与了免疫稳态的调节，平衡的肠道真菌群落在维持宿主免疫稳态和人类健康方面可能发挥有益作用，不过真菌维持肠道稳态的机制仍有待确定。

 

 

研究结果

 

1、黏膜样本中存在特异性真菌（MAF）可保护小鼠免受肠道损伤

Figure 1. A distinct fungal community is associated with the murine intestinal mucosa.

 

本研究从C57BL/6小鼠的胃、空肠、回肠、盲肠和结肠等多个GI区域收集肠腔样本（LUM）和黏膜样本（MUC），并进行ITS测序。通过对真菌群落的分析表明，黏膜（MUC）真菌与肠腔（LUM）真菌组成存在较大差异，且MUC真菌多样性比LUM真菌菌群低。

随后分别鉴定出LUM和MUC中特异性的真菌群落，并且在人体样本中发现了与MUC中特异性真菌群落相似的组成特征，且MUC样本菌群中可观察到真菌群落的α多样性降低，这表明只有一部分特异性真菌可以在肠粘膜的独特环境中生存。

研究进一步采用抗生素诱导的细菌生态失调模型，加上使用DSS诱导肠道损伤，构建MUC和LUM特异真菌模拟菌群，以评估LUM和MUC真菌群落对肠道的保护作用。DSS给药前以LUM或MUC真菌群落定殖处理小鼠3周。实验结果表明，MAF（MUC真菌菌群）定殖可以保护小鼠免受肠道损伤，并降低死亡率，而LUM真菌菌群并无此效果。并且，与LUM真菌群落定殖相比，MAF定殖后的肠道通透性显著降低。

 

2、MAF可影响肠上皮细胞转录，诱导CD4+T细胞产生IL-22

 

Figure 2. A defined mucosal fungal consortium promotes barrier integrity and induces the production of IL-22 by CD4 + T cells

 

肠道上皮细胞（IEC）是微生物群与粘膜免疫系统之间的第一道屏障，为了研究MAF对肠道上皮细胞的影响，用MAF定殖无真菌的ASF小鼠，并对其肠上皮细胞进行了转录组分析，发现MAF在肠上皮细胞中诱导了独特的转录谱，参与氧化磷酸化、IFN反应、JAK/STAT信号传导和DNA修复的基因上调，而参与TGFβ信号传导、蛋白质分泌和G2M细胞周期检查点的基因下调。

进一步的免疫表型分析显示，MAF定殖小鼠结肠固有层和肠系膜淋巴结中的RORγ+与Th17的数目明显增加，MAF定殖小鼠的Th细胞会产生高水平的IL-22、IL-17A和IL-17F等细胞因子。

 

3、CD4+ T细胞参与调节了MAF的保护作用

 

Figure 3. The protective effect of a defined mucosal fungal consortium is mediated by IL-22 producing CD4 + T cells.

 

因IL-17以及IL-22在维持肠道屏障方面具有重要作用，所以随后采用IL-17缺陷小鼠（IL-17-/-）以及IL-22缺陷小鼠（IL-22-/-）感染性结肠炎模型，来研究IL-17以及IL-22是否具有调节MAF对肠道屏障保护功能的作用。实验证明了IL-17-/-小鼠更容易受到肠道损害，而IL-22-/-小鼠消除了MAF对小鼠肠道的保护作用。确定了CD4+ T是MAF诱导产生IL-22的主要来源，证实了CD4+ T细胞参与调节了MAF的保护作用。

 

4、MAF对小鼠感染性结肠炎的保护作用与IL-22相关

 

Figure 4. A defined mucosal fungal consortium is protective against C. rodentium induced colitis.

 

为了研究MAF定殖对肠道感染的保护作用，采用鼠柠檬酸杆菌诱导肠道损伤感染，发现MAF定殖降低了鼠柠檬酸杆菌感染的严重程度和肠道病原体负担。

为了进一步确定这种保护作用是否通过IL-22产生，研究采用了以鼠柠檬酸杆菌诱导感染IL-22缺陷小鼠模型（IL-22-/-），对比MAF定殖与MAF不定殖情况下的小鼠肠道屏障完整性。发现MAF定殖反而加重了IL-22缺陷小鼠的疾病严重程度，说明MAF对小鼠感染性结肠炎的保护作用与IL-22相关。

 

5、MAF可以促进小鼠社会行为

Figure 5. The mucosal consortium promotes mouse social behavior in the three-chamber social test.

建立抗生素诱导的细菌生态失调模型，观察了MAF定殖在小鼠的社交行为中的作用。与对照小鼠相比，MAF定殖并不影响重复、焦虑和强迫相关行为。在三室社交试验中，观察小鼠处在各室中的时间可知，MAF定殖的小鼠具有更高的社交反应。

这些实验说明，MAF可以促进社会行为，但不会促进焦虑、重复或强迫的相关行为。

 

6、MAF可诱导IL-17A产生，通过神经元IL-17R通路，促进小鼠的社交行为

 

Figure 6. IL-17Ra signaling on neurons mediates the MUC-induced increase in social behavior.

研究其机制时发现，虽然MAF在肠道中诱导了IL-17的增加，但在MAF定植小鼠的血清和脾脏中只发现有IL-17A增加。结合之前的单细胞转录组数据，可发现肠道和CNS神经元细胞都表达高水平的IL-17受体基因 Il17ra，而不是IL-22受体基因Il22ra1和Il22ra2，证明IL-17A具有直接的神经调节特性并影响小鼠的社会行为，而MAF定殖对社会行为的影响与IL-22无关。

为了进一步研究神经元对IL-17A的直接感应是否影响观察到的行为表型，本研究将小鼠杂交以得到特异性消除神经元中IL-17R通路的小鼠。MAF定殖的特异性小鼠与对照小鼠相比，行走距离、移动性和焦虑相关行为方面没有明显差异，MAF定殖促进了对照小鼠的社交行为，而特异性小鼠的社交行为没有在MAF定殖后增强。所以，肠道粘膜的真菌定植可诱导IL-17A产生，并通过作用于神经元IL-17R通路，促进小鼠的社交行为。

 

研究结论

在本次研究中，首先表征了胃肠道真菌群落的生物地理特征，并在实验室小鼠和人类中确定了与肠粘膜相关的真菌亚群。通过增加参与JAK/STAT信号传导和DNA修复的上皮基因的屏障功能和转录，在肠道中发挥免疫保护作用。肠粘膜相关真菌（MAF）是CD4+T产生L-22和L-17的有效诱导剂。肠道局部产生的IL-22可以促进屏障功能，保护小鼠免受肠道损伤。

MAF肠道定殖加强了小鼠对社会刺激的反应性，显示出了肠道真菌调节宿主行为的能力。粘膜真菌诱导了IL-17A的全身释放，神经元中的IL-17通路对于真菌调节小鼠社会行为是十分必要的。

综上所述，本研究结果表明，黏膜相关真菌（MAF）可以通过影响肠上皮细胞的转录，继而诱导CD4+T细胞产生IL-22，使肠道免受损伤和感染，并能够通过神经元中的IL-17信号促进社会行为。

 

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