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Nature:胆汁酸的肠道细菌代谢产物竟能调节Treg细胞分布!

原创 文/林怡婷(实习) 2020-05-21 18:40:00 来源:中国网医疗频道

研究发现,次级胆汁酸3β-羟基脱氧胆酸(isoDCA)通过作用于树突状细胞(DC)增加其抗炎表型的基因表达,从而增加pTreg细胞的分化。

导读:肠道“强壮”的免疫功能与效应T细胞及调节性T细胞(Treg)在体内的平衡有关。Treg细胞的主要特征是细胞内Foxp3分子的表达。丁酸盐在内的微生物发酵产物可在胸腺外诱导Foxp3的表达,促进CD4+T细胞向外周Treg(pTreg)细胞分化,且该过程由非编码序列1(CNS1)增强子协助进行。这一过程说明,细菌的代谢产物可决定肠道免疫细胞群的组成。研究发现,次级胆汁酸3β-羟基脱氧胆酸(isoDCA)通过作用于树突状细胞(DC)增加其抗炎表型的基因表达,从而增加pTreg细胞的分化。

人类肠道微生物菌群可产生多种次级代谢产物在血液中积累,并对宿主会产生系统性的影响。肠道作为主要的消化器官,不仅需要吸收人体必需的营养物质,从而来供机体维持正常的生命活动,还需时时刻刻抵御病原体的入侵,因此肠道也是人体最大的免疫器官。

胆汁酸是胆固醇的分子,参与基本的生理过程,包括营养吸收,葡萄糖稳态和能量消耗的调节[1]。胆汁酸主要存在于肠肝循环系统并通过再循环起一定的保护作用。只有极少部分(约5%)在回肠中逃脱了重吸收,并在结肠中经历了进一步的细菌转化,产生了次级胆汁酸[2]。

近日,美国斯隆凯特林研究所Alexander Y. Rudensky和Clarissa Campbell研究组合作,在Nature发布最新研究“Bacterial metabolism of bile acids promotes generation of peripheral regulatory T cells(细菌胆汁酸代谢促进外周调节性T细胞(pTreg)的生成)”。该文章发现,次级胆汁酸3β-羟基脱氧胆酸(isoDCA)通过作用于树突状细胞(DC)来减弱其免疫刺激特性,从而诱导Foxp3的表达,增加pTreg细胞的分布[3]。

图1: https://doi.org/10.1038/s41586-020-2193-0

胆汁酸的细菌代谢产物可诱导Foxp3分子的表达

研究人员首先筛选了小鼠和人类中发现的主要解偶联胆汁酸种类,发现两个次级胆汁酸ω-MCA和isoDCA,可在体外实验中增加CD4+T细胞的Foxp3表达的频率。然而,在ω-MCA及isoDCA的3α-OH基团氧化为-oxo中间体,然后将其还原为3β-OH基团后,这样诱导作用就减弱了,表明胆汁酸的微生物差向异构可产生具有独特免疫调节特性的代谢产物。而与ω-MCA不同,研究人员表示isoDCA在健康成年人的肠内含量较高(约50μM),其生物合成特性良好,因此,本研究专注于了解isoDCA的生物学活性。研究人员还发现isoDCA并不能使预先使用CD3、CD28磁珠活化后的T细胞进一步分化为Treg细胞,因此认为isoDCA不会抑制T细胞增殖。而进一步探索发现isoDCA具有一种T细胞之外的免疫调节机制:isoDCA促进Foxp3+ T细胞比例增加需要抗原提呈细胞的介导(图2)。

图2: 胆汁酸经细菌差向异构化产生的分子能够诱导Treg产生

isoDCA促进Treg产生的潜能需要DCs中FXR的表达

研究人员分别敲除T细胞或者DC细胞上的胆汁酸受体FXR进一步开展下一步研究。发现T细胞中的FXR缺乏并未改变对isoDCA的Foxp3诱导作用,相比之下,缺乏FXR的DC可在基线时产生更多Foxp3 +细胞,然而这种增加不能通过添加isoDCA进一步增强。接下来研究人员使用RNA-seq进一步分析了敲除FXR的DC,在用isoDCA处理之后的变化。结果显示isoDCA能够降低多个与抗原加工和提呈相关的、以及与促炎信号识别和转导相关的基因表达。isoDCA也会诱导负调炎症信号相关的基因表达。这一发现表明,表明isoDCA具有广泛的抗炎活性。利用转录分析作者对比了isoDCA作用在DC以及DC中FXR敲除对DC的影响,作者发现FXR的敲除几乎抵消了isoDCA产生的转录抑制(图3)。

图3: isoDCA促进Treg产生的潜能需要DCs中FXR的表达

能够产生isoDCA菌株的菌群在体内能够促进pTreg的产生

此前已有报道发现由胆酸到isoDCA的过程涉及到两种细菌:在梭状芽胞杆菌(Clostridium scindens)中胆酸发生7α-去羟基化,在活泼瘤胃球菌(Ruminococcus gnavus)中发生DCA的3α-羟基化。研究人员将来自R. gnavus(Rumgna_00694)的羟基类固醇脱氢酶插入到B. theta中来重建isoDCA的异构化途径。Rumgna_00694编码的酶的活性位点包含一个保守的酪氨酸残基,作者将其更改为苯丙氨酸以构建催化性死亡突变体,作为实验对照组。而B. theta缺乏1α-脱羟基活性,所以作者将构建的细菌株与C. scindens一起进行实验。利用无菌小鼠,将实验组和对照组构建的工程菌群进行肠道定植,10天以及4周进行检测。对比实验组和对照组,作者发现在肠系膜淋巴结和小肠固有层中RORγt+ pTreg并没有明显区别,但是在结肠处此类细胞的数量在能够正常产生isoDCA的小鼠中一直较高,尽管不是很显著。为了排除细菌菌株背景的潜在影响并概括这些初步发现,作者用类似的方法构建了工程菌验证了这个表型与菌株类型无关(图4)。

图4: 能够产生isoDCA菌株的菌群在体内能够促进pTreg的产生

以往研究发现,pTreg细胞显示出抑制肠道微生物定殖的免疫应答,维持肠道菌群的代谢功能。本文反过来发现胆汁酸的肠道菌群代谢产物能够诱导Treg细胞产生,二者形成复杂的调控网络维持肠道黏膜免疫反应平衡。然而研究人员还留下一些待解决问题。首先,微生物定植时免疫耐受的形成可能来自微生物代谢物输出特征的保守性;其次,髓系细胞在isoDCA促进pTreg过程中的作用还未经报道;最后,其他感知胆汁酸的受体仍有待探究。

总而言之,本研究则进一步揭示胆汁酸的次级代谢物对Treg的影响,并证明了这一作用是通过抗原递呈细胞介导的,说明肠道菌群可通过内源类固醇的代谢,维持肠道免疫平衡。

参考文献:

1.   Josefowicz, S.Z.; Niec, R.E.; Kim, H.Y.; Treuting, P.; Chinen, T.; Zheng, Y.; Umetsu, D.T.; Rudensky, A.Y. Extrathymically generated regulatory T cells control mucosal T H 2 inflammation. Nature 2012, 482, 395-399, doi:10.1038/nature10772.

2.   Wahlström, A.; Sayin, S.I.; Marschall, H.U.; Bäckhed, F. Intestinal Crosstalk between Bile Acids and Microbiota and Its Impact on Host Metabolism. Cell Metabolism 2016, 24, 41-50, doi:10.1016/jNaNet.2016.05.005.

3.   Campbell, C.; McKenney, P.T.; Konstantinovsky, D.; Isaeva, O.I.; Schizas, M.; Verter, J.; Mai, C.; Jin, W.-B.; Guo, C.-J.; Violante, S., et al. Bacterial metabolism of bile acids promotes generation of peripheral regulatory T cells. Nature 2020, doi:10.1038/s41586-020-2193-0.

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