科研 | BMC Genomics：小鼠肠道转录组学数据的高水平整合突出了补体系统在粘膜稳态中的重要性

编译：冬日暖阳，编辑：十九、江舜尧。

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哺乳动物的胃肠道对于消化和吸收营养，能量代谢以及肠屏障的动态平衡和粘膜免疫至关重要。哺乳动物粘膜免疫系统的许多专门适应性进化已发展为与微生物共生体维持和平共存，同时作出适当反应以预防肠道病原体的感染。饮食或药物摄入等外部因素的变化会影响微生物群落生态，但也会影响代谢过程。肠上皮在协调先天防御中起重要作用，并向位于上皮层下面的免疫系统的众多细胞发出信号。

上述肠道功能归因于基因组，这些基因被组织成对生理变化作出反应的各种功能途径。这些途径可以通过肠道感染，食物中的有毒化合物或微生物群，离子和渗透变化以及养分利用率的显著变化来调节。研究者假设维持动态平衡涉及多种途径，其调控取决于摄动的类型。与其他组织相比，在肠道遇到的各种变化的条件范围将需要高水平的功能可塑性。然而，关于哪种关键生物途径在肠粘膜中提供功能可塑性的了解甚少。了解这种可塑性的兴趣来自于目前的趋势，即开发（饮食）干预措施以优化肠道健康并降低疾病风险。

因此，至关重要的是在途径上研究功能基因组水平上的粘膜组织的功能可塑性。这样的方法可以帮助识别参与粘膜反应的生物合成和信号传导途径的关键集合，还可以识别对各种环境和生理扰动的途径表达的共性和差异。为了对此进行研究，研究者使用了从暴露于口服给药挑战的小鼠肠道组织中产生的公开可用的基因表达数据集。从这些数据集的分析结果中，研究确定了“补体级联调节”途径，该途径似乎在肠上皮对不同营养，微生物和化学挑战的功能可塑性中起重要作用。补体系统由肝脏中产生的几种非活性前蛋白组成，这些蛋白在血液中循环，这对于有效清除入侵生物至关重要。它是先天免疫系统的一部分，补体级联的激活在微生物调理作用中发挥关键作用，以增加巨噬细胞和嗜中性粒细胞在感染部位的吞噬作用。为了避免补体对自体组织的伤害，补体的激活受许多液相和细胞表面蛋白的控制。

论文ID

原名：High-level integration of murine intestinal transcriptomics data highlights the importance of the complement system in mucosal homeostasis

译名：小鼠肠道转录组学数据的高水平整合突出了补体系统在粘膜稳态中的重要性

期刊：BMC Genomics

IF: 3.501(2区)

发表时间：2019.12.30

通讯作者：Nirupama Benis

通讯作者单位：荷兰瓦赫宁根大学

DOI号：10.1186/s12864-019-6390-x

结果

肠道基因表达数据集的分类

本研究确定了14个可用数据集。将其分为三大刺激类别：饮食（7个实验）、药物（3个实验）以及基于干预类型的免疫挑战（4个实验）。作为动物饲料一部分给予的刺激被归类为“饮食”。用作药物的刺激物质被归类为“药物”类别。任何引起强烈免疫反应的物质都被归类为“免疫挑战”。可以说，DSS挑战属于药物类别，而不是免疫挑战类别，因为它可以用作药物。但是，由于DSS的作用可能是由导致细菌抗原易位的原始上皮损伤所致，因此在这里研究者选择将其归类为免疫挑战。这14个实验包含37个实验条件，其中条件定义为自交系小鼠品系，特定干预措施和在特定时间点采样的肠组织的唯一组合，如图1所示。

图1 实验数据集：根据小鼠的年龄，在时间表中详细列出了本研究中使用的14个实验中的37个条件。

所有数据集的重要途径结果

使用了基于中心性的路径分析（CePa）算法的修改版本以及“可及性”和“可及性中性”选项。每次分析均在一次比较中进行，其中在该实验中将刺激条件与相应对照进行比较。使用Reactome数据库来获取途径信息，它从“根”途径到更具体的“叶”途径进行了分层排列。仅使用叶途径进行途径分析。对于分析的所有37种情况，710条途径均得到了显著富集。这些途径中的大多数（84％）在两个中心度度量中均具有显著性。

三种类别中重要途径的比较

三个类别之间的结果有很大的重叠（图2）。此外，每种挑战类别都有几种独特的途径，在饮食类别中发现的途径最多，而在本研究中实验条件也最多。在所有挑战类别中共有大量（212）的路径（图2）。这212条途径属于27条根途径中的24条。结果最多的根是代谢途径，疾病途径和信号传导途径。

图2 在三个挑战类别中富集差异表达基因的叶途径的数量。

挑战类别共享途径的控制

为了研究三种情况中调控差异最大的途径，根据差异评分对212条常见途径进行了排名。根据路径节点的平均节点分数计算差异分数，计算出一个挑战类别中实验条件下该路径中节点得分的平均值，得出该路径的三个得分。三个平均值之间的差异之和（差异分数）用于对常见途径列表进行排名。在先天性免疫途径“补体级联调控”中发现了三种类别和结点基因表达之间最大的差异（图3）。补体级联途径的调节在体内的17种条件下得到了显著调节（11种饮食，7种药物中的3种和5种免疫挑战条件中的3种）。在含有添加脂肪的饮食条件下，上述补体因子基因的表达也增加了（图3）。最大的变化是免疫挑战类别感染，其中沙门氏菌上调了补体因子C4，C2，C3。这些补体因子是通过经典途径和甘露糖凝集素途径激活补体级联反应所必需的（图3）。

图3 导致微生物吞噬作用增强的三个补体途径

三种挑战性刺激物对小鼠肠类动物器官的代表性兴奋剂的反应

为了研究在体内测试相似条件下“补体级联调控”途径中基因的调控，研究者对小鼠成年干细胞衍生的回肠类器官进行了实验。类器官包含在起源组织中发现的所有主要上皮细胞谱系，包括补体级联的全面组成部分。由感染诱导的炎性细胞因子TNFα等所有补体相关基因的表达（C5，C8GH和CR2除外，图4）。相反，尽管其具有激活HEK细胞表达和TLR5信号转导的能力，但通过与鞭毛蛋白温育，这些基因的表达均没有显著改变。PPARα激动剂也没有改变与补体级联途径调控有关的基因。相反，研究观察到PPARα激动剂显著改变了宿主受体和CFI的表达，这些受体参与保护宿主免受补体激活。

图4 “补体级联调控”途径中10个基因的表达

结论

总之，通过对肠道组织的转录组学数据集进行整合分析是一种鉴定与功能可塑性和肠道稳态相关的常见途径的重要方法。以不同的组合来调节所鉴定的途径以产生不同的生理反应，或者对途径内的基因进行差异地调节以进一步促进可塑性。“补体级联调节”途径是多种肠道挑战调节的许多途径之一，表明它是肠道外围的重要机制，可能无法从血液中获取循环的补体成分。补体因子的上皮表达涉及宿主吞噬细胞的调理作用和趋化性，但不形成MAC复合物，表明在微生物的调理作用和宿主免疫细胞的趋化性中的主要功能。与补体因子肠表达的增加相一致的是参与补体控制和保护的宿主因子的表达，例如CD55和CD46，它们在先天免疫和伤口愈合中具有次要功能。

评论

哺乳动物肠道是一个复杂的生物系统，在对各种刺激的反应中表现出功能可塑性，以维持体内平衡。为了增进我们对这种可塑性的理解，基于来自肠道小肠粘膜样品的14个全基因组转录组学数据集，使用基于集中性的路径分析（CePa）工具和Reactome数据库信息进行高级数据整合。结果显示，小鼠肠道粘膜对口服引入的预期会扰动体内平衡的药物挑战的综合反应。研究观察到，一组常见的途径对不同的刺激有反应，其中最活跃的是补体级联途径的调节。补体级联途径的调节改变在体外小鼠类器官中得到证实。

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