综述 | 微生物组代谢产物——调控天然免疫的信使
本文由卡内斯坦编译，董小橙、江舜尧编辑。
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导 读
肠道微生物组对人体免疫系统有着广泛的影响。微生物群来源的代谢物产物是发挥影响的关键。特定代谢产物究竟如何影响天然免疫系统进而改变机体免疫和感染应答？本文结合最新研究进行综述。
论文ID
原名：Microbiome control of innate reactivity
译名：肠道微生物组对天然免疫反应的影响
期刊：Current Opinion in Immunology
IF：7.932
发表时间：2019年
通讯作者：Chen, Feidi
作者单位：Department of Pathology and Immunology, Washington University School of Medicine, St. Louis MO 63110, USA
综述内容
1 肠道微生物组和天然免疫系统
人类肠道包含复杂的微生物群落，总称肠道微生物组。这一群落对宿主从发育到代谢、从免疫到行为都有影响。明确微生物组影响宿主的生理机制是当前研究的难点。大量肠道微生物组与感染和炎症控制相关的研究初步揭示了，特定微生物及其代谢产物如何影响天然免疫系统。其中，近期引发极大关注的是，微生物组代谢产物如何通过介导微生物组与宿主免疫系统互动构建肠道稳态。本综述结合近期进展，对天然免疫系统如何对微生物代谢产物进行应答进行总结。
定菌小鼠（带菌已知）和抗生素处理小鼠（某些菌属被特异清除）为研究微生物组代谢产物的生理功能提供了很好的工具。譬如，短链脂肪酸（SCFAs）、次级胆汁酸和菌群来源的色氨酸代谢产物的水平在这两类小鼠中都偏低。通过恢复代谢产物的水平可以研究其对天然免疫应答的影响。例如，一项研究发现，抗生素处理破坏了小鼠嗜中性粒细胞从肠系膜淋巴结向回肠的迁移。
2 肠道微生物组来源的代谢产物
短链脂肪酸（SCFAs）
SCFAs（乙酸、丙酸和丁酸）在机体免疫中发挥广泛作用。在结肠中，SCFAs是含量最高的细菌代谢产物之一。它们可通过被动扩散、载体介导输运和与GPCRs（G蛋白偶联受体）相互作用等方式进入细胞。SCFAs影响免疫功能机制包括调节表皮屏障、通过宿主天然免疫介导炎症以及抑制肠道病原感染（图1）。
图1 微生物组代谢产物的作用机制
肠道表皮外的屏障层由AMPs（抗菌肽）和特异肠道表皮细胞（Paneth细胞和goblet细胞）产生的粘液组成。最新研究表明，SCFAs能够加强这两种组分的屏障功能。丁酸能够诱导肠道表皮细胞的AMPs（RegIIIγ和β防御素）表达，通过GPR43介导；另外，丁酸诱导AMPs表达有时能够同时促进粘液层功能增强。丁酸通过Muc2依赖的通路进行诱导β防御素表达，与肠道粘蛋白抑制β防御素的抗菌活性通路相同。
表1 微生物代谢产物对宿主免疫系统的影响
丁酸对结肠隐窝内的表皮干细胞亦有影响。隐窝外的已分化结肠细胞大量消耗肠道中的丁酸，因此隐窝内表皮干细胞接触的丁酸浓度较低。研究发现，黏膜损伤导致的丁酸浓度提高会抑制干细胞增殖，部分通过HDACs（组蛋白去乙酰化酶）对细胞周期调节因子Foxo3的调控实现。结构/功能研究显示，丁酸对HDACs的抑制主要依赖于丁酸的特殊分子结构和HDACs对Zn2+的高亲和性。
另外，SCFAs还可通过抑制HDAC的机制对结肠巨噬细胞和DCs施加抗炎症作用。例如，SCFAs通过抑制HDAC作用于IL-10R，进而增强肠道表皮在粘膜损伤时的功能。最近报道，IL-10可通过mTOR依赖的NLRP3炎症小体激活调节结肠巨噬细胞的免疫反应（是否与HDAC抑制有关尚不清楚）。SCFAs对肠道外的天然免疫亦有影响，如调节血脑屏障和小胶质细胞成熟。
综上，近期研究表明，在隐窝受损时，SCFAs抑制天然免疫细胞导致对共生微生物组的免疫耐受。
琥珀酸
琥珀酸近期得到广泛的关注，因其在代谢稳态、肠道微生物组与宿主免疫系统间互动中的作用。它是TCA循环的中间体，也是GPCR和SUCNR1等受体的配体。
琥珀酸既存在于细胞内，也存在于细胞外。宿主细胞可将共生菌产生的琥珀酸用作糖酵解的能源，肠道病原利用琥珀酸与原生微生物组竞争定殖权利。Salmonella利用琥珀酸完成TCA循环、诱导肠道炎症。正常的微生物组是关键调节因素。机体稳态下，机体耐受的琥珀酸使寄生虫Tritrichomonas维持在较低水平。然而，抗生素干扰肠道共生菌导致菌群失调，从而使能产生琥珀酸的细菌范围扩大。局部琥珀酸增加促进病原（如艰难梭菌）生长。
三项研究最近报道，寄生虫产生的琥珀酸诱导小肠的2型天然免疫反应。原虫和蠕虫都会产生琥珀酸，进而促进簇绒细胞的扩散。簇绒细胞产生的IL-25促进ILC2激活、2型细胞因子（IL-13和IL-5）的产生，进一步导致肠道稳态重建和激活其他免疫细胞以控制寄生虫。尽管簇绒细胞高表达SCFAs和琥珀酸受体（SUCNR1），但只有琥珀酸能够激活簇绒细胞的IL-C2通路。另外，簇绒细胞识别原虫和蠕虫琥珀酸的机制不同：依靠SUCNR1通路识别原虫琥珀酸，而识别蠕虫琥珀酸的通路不依赖SUCNR1。其他识别琥珀酸进而诱导2型天然免疫反应的机制还有待发现。
除了表皮细胞，SUCNR1在其他天然免疫细胞（巨噬细胞和DCs）上也有表达。这表明，琥珀酸对天然免疫有直接调节作用。尽管琥珀酸无法独自诱导巨噬细胞的细胞因子表达，但它能够和TLRs协同工作，在LPS34存在时促进IL-1β的表达。在salmonella感染小鼠中，抑制剂处理的巨噬细胞中，琥珀酸的水平与血清中IL-1β水平相关。琥珀酸是否还其他类型细胞？肠道炎症中琥珀酸介导的免疫反应的功能是什么？这些问题都有待回答。
氨基酸代谢产物
在机体稳态和疾病状态下，微生物组产生的芳香氨基酸代谢产 物（色氨酸和酪氨酸）对天然免疫都有调节作用。宿主细胞和肠道微生物都能够将色氨酸代谢成吲哚衍生物。
肠道微生物产生的吲哚衍生物是芳香烃受体（AhR）的重要配体。在感染和炎症中，芳香烃受体信号可介导天然免疫反应。IAId（吲哚衍生物）通过AhR诱导ILC3细胞表达IL-22。在无菌小鼠和抗生素处理小鼠中，产生IAId的细菌的定殖可诱导ILC细胞的抗真菌作用。ILC3细胞缺乏导致的小鼠对Citrobacter rodentium的易感性增加。补充色氨酸代谢产物的食物能够恢复ILC细胞介导的粘膜保护功能、显著改善DSS和Citrobacter rodentium诱导的结肠炎。
最近研究发现，IAId通过AhR依赖的方式诱导IECs表达IL-10R1。与IAId类似，IPA（另一种吲哚衍生物）被证明能够增强肠道屏障的完整性、缓解DSS诱导的肠道炎症。另外，最近发现，色氨酸可被Peptostreptococcus russellii代谢成IA（一种吲哚衍生物），进而促进杯状细胞产生抗炎症细胞因子。摄入吲哚衍生代谢物可通过减少嗜中性粒细胞浸润，保护机体免受药物治疗导致的肠道疾病感染。
在肠道中，宿主肠道表皮细胞和天然免疫细胞借助IDO1酶产生色氨酸代谢物，如Kyn。据报道，丁酸能够引导DCs的IDO1的表达。吲哚衍生物I3A对宿主胆汁酸代谢有调节作用。这表明，宿主和细菌代谢物间相互作用较为复杂。
研究发现，IBD病人的粪便和血清样本中IAA（一种吲哚衍生物）降低、Kyn升高。这表明，在疾病状态下，色氨酸代谢从以细菌为主转为以宿主为主。CARD9（髓系PRR信号通路的一种重要接头蛋白和IBD风险等位基因）在色氨酸代谢中也有作用。最近一项研究报道，无菌小鼠在接种CARD9缺陷小鼠的菌群后，对DSS诱导的结肠炎易感性增加，可能由于IAA和ILCs表达IL-22降低。
次级胆汁酸
次级胆汁酸（如脱氧胆酸DCA和石胆酸LCA）也是重要免疫调节因子。人体中，只有少数几种细菌能够将初级胆汁酸代谢成次级胆汁酸。
次级胆汁酸能够直接作用于微生物。如，DCA和LCA可直接抑制肠道致病菌Clostridium difficile、减少其在易感宿主中的定殖。次级胆汁酸对人体天然免疫系统也有直接作用：次级胆汁酸能够通过调节天然免疫反应、增强感染后的宿主免疫反应。近期研究发现，通过下调Campylobacter jejuni诱导的IECs促炎症基因表达，DCA能够治疗Campylobacter jejuni易感型小鼠。因此，我们认为，次级胆汁酸可能对其他病原和宿主的免疫反应也有影响。
在结肠中，肠道粘膜创伤部位的DCA水平，对屏障重建初始阶段的伤口闭合和从初期到后续隐窝再生阶段的转变都十分重要。通过抗生素去除产生DCA的细菌，可显著降低DCA的水平并阻碍创伤附近隐窝内表皮细胞增殖。而DCA重建能够恢复。DCA通过FXR依赖的天然免疫通路（TLR2/MyD88）发挥作用。次级胆汁酸如何调节天然免疫的其他细胞及相关受体仍需要进一步明确。
评 论
尽管我们对肠道微生物组代谢产物的生理影响了解越来越多，但还远远不够。目前已知的代谢产物是否是全部？动物模型的结果能在多大程度上反应人类与其肠道微生物的相互作用？这些问题都需要借助不断更新的技术进行深入研究。
为将当前已有知识进行临床转化，我们亟需验证这些复杂的相互作用是否存在于人类及其微生物组之间。首先，我们需要明确宿主遗传背景对肠道微生物组构成及其代谢表型的影响。如，Christensenella minuta，一种能够产生SCFA的细菌，与遗传性高度相关而不受环境影响。其次，研究饮食、疾病、用药和环境等因素对微生物代谢产物的影响。这有助于理解代谢产物对人体健康的细微作用。研究证明，对微生物代谢产物了解越多，我们对微生物组和宿主免疫系统间的相互作用理解越深入。这类研究提出的疗法可能需要特殊的饮食、特异改造的细菌菌落以及合成的化合物，代替微生物组对免疫系统的施加积极影响。
评 论
揭示微生物组代谢产物对宿主天然免疫的影响，是将微生物组学研究进行临床转化的关键步骤。在理解作用机制的基础上，保留有效成分、控制负面影响从而开发基于微生物组的有效疗法。这是近几年较为热门的领域，期待各位大显身手！
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