Mining the Human Gut Microbiota for Immunomodulatory Organisms移植人类常见的肠道微生物后，小鼠的免疫系统如何变化？PMID：28215708 期刊：Cell 年份：2017 影响因子：30.41 发表单位：HarvardMedical School Dataset：GSE88919 关键词：免疫；单菌移植；宏基因组  导读 1.人类肠道微生物种包含了多种免疫调节菌； 2.不同单菌分别移植给无菌小鼠后引起的免疫应答和转录改变既多样又冗余； 3.不存在特定的细菌分类水平上的免疫和转录效应偏性； 4.即使是同种菌中的不同株，免疫调整的效果也不相同。 研究背景 肠道微生物对宿主免疫系统的教化必不可少，但哪些特定菌与宿主的哪些免疫成分进行对话，我们的所知非常有限。常见的研究方法是采用微生物组与疾病的关联分析，鉴定出群体中某种菌跟疾病表型具有显著相关性，从而推断两者之间可能存在着调控作用。 本文作用采用了一种更为直接的做法：将53种人类肠道菌群分别定植到无菌小鼠体内，分析随后的宿主免疫表型和转录组的变化。这种做法虽然忽略掉了菌和菌之间的相互作用对宿主的影响，但单菌的移植稳定性要强于多菌群体的移植稳定性，并且引起的表型可追溯，因果关系的说服力更强。 研究方案 1.动物模型：四周龄无菌C57BL/6小鼠用于单菌定植。两周后评估小鼠肠道免疫细胞及相关细胞因子的改变。 2.定植菌种：涵盖人类肠道中最主要的5大门类：Bacteroidetes，Firmicutes，Proteobacteria，Actinobacteria，Fusobacteria，共53种。最终能成功定植于小鼠胃肠道内的共46种。 3.免疫系统效应评价：肠固有层、派尔淋巴结、肠系膜淋巴结（mLNs）和系统淋巴器官（SLOs，包括脾脏和皮下淋巴结）处18种免疫细胞和5种典型的细胞免疫因子（其中IL-22分为固有免疫来源和适应性免疫来源两种，如下图：） 主要结果 1.细菌的移位能力 无菌小鼠的固有免疫系统和肠屏障功能发育不完整，正好可以用于评价各种菌的迁移能力。绝大部分（88%）能移位至近端的淋巴结并存活，近半数（47%）能在远端的皮下淋巴组织等系统淋巴器官中存活。移位能力不存在特殊的种类偏性。 图：移位至肠系膜淋巴结（mLN）和系统淋巴器官（SLO）的微生物数量和分布。 2.肠组织部位免疫的效应 免疫细胞在单菌定植后发生的改变是多种多样的。一些固有免疫细胞主要表现为数量扩张(如CD103 DCs)，另一些主要表现为数量收缩(如CD11b F4/80 巨噬细胞和单核吞噬细胞)，还有一些免疫细胞则是两者兼有。近年来的研究热点固有免疫淋巴细胞ILC3s，仅有极少的菌能影响其数量变化，这与先前发现的肠道菌主要通过改变ILC3s的IL-22分泌，而不是改变ILC3s的数量发挥作用是吻合的。作为免疫系统的第二道防线，适应性免疫系统的免疫细胞则表现为应答的“迟钝”，细胞数量的变动也较为平稳。Treg细胞是例外，多种单菌移植能显著扩张Treg的细胞数量，提示免疫耐受可能是菌群移植后的主要发育方向。 从细菌的这一侧看，某些菌对免疫系统的影响可能是隐性的，例如Peptostreptococcusmagnus 和Bacteroidessalanitronis，仅对极少数免疫细胞的增殖；有一些则是免疫调控的活跃菌，如Bacteroidesuniformis，在调控的免疫细胞种类和数量改变的强度上都表现得十分明显。
除了影响免疫细胞数量，细胞因子的改变也可以体现菌对免疫系统的效应。例如大家熟知的分节丝状菌SFB对Th17细胞释放IL-17的调节。研究人员还发现了之前未有观察到的潜在调控关系，包括Coprobacillus与小肠T细胞的IL-10释放，Bifidobacteriumlongum与Th1细胞的IFNγ分泌。受菌调节最明显的当属ILCs分泌的IL-22，能调节其变化的菌谱非常广泛，且不同菌引起的效应差异也很大。这也部分解释了为什么无菌小鼠和SPF小鼠体内的IL-22会有那么大的差别。 最后，IgA的生成总量与针对特定菌的IgA生成量存在显著的正相关，说明定植的微生物作为免疫原直接诱导了IgA的生成，而不仅仅在该抗体生成过程中发挥旁观者效应。与前面的结果一样，对IgA的诱导生成作用没有发现系统发育分类上的偏性。 3.肠组织免疫细胞变化的相关性 同一类型免疫细胞，在小肠组织的变化和在大肠组织中的变化具有较强的相关性，说明同种菌在不同部位引起相似的免疫应答模式；而那些不同类型免疫细胞之间出现的强关联，则可能暗示它们来自于相同的免疫应答通路，如γδT和Helios CD8 T细胞之间，CD4 T和B细胞之间都存在较强的相关性。按相关系数对微生物进行聚类，所得类也不存在系统发育分类水平上的偏性。
4.系统淋巴器官的免疫效应 细菌对更远端的肠系膜淋巴结和淋巴器官内的固有免疫细胞影响力有所减弱，仅对单核细胞有较为明显的效应；淋巴器官的适应性免疫类细胞大多都不受细菌暴露的影响。更详细的分析发现，系统淋巴器官的免疫细胞与肠固有层的免疫细胞间大多具有较为一致的变化趋势。 5.细菌定植前后的肠组织转录组分析 与脂肪组织和肌肉组织相比可以发现，无菌小鼠的肠组织部位的基因表达具有很大的个体差异。在细菌定植后，个体间表达差异大的基因数量减少了许多，表明肠道菌有稳定基因表达的作用。有意思的是，与无菌小鼠相比，那些在细菌移植后表达差异显著的基因，没有一个是朝单一方向变化的。不存在只被单种菌调控的基因，对同一基因有调控作用的菌不存在门分类水平上的偏性，这与上述提到的菌调控免疫表型的无偏性相呼应。 GO分析发现显著差异表达的基因富集于特定的细胞，如B细胞，基底细胞，巨噬细胞，干细胞，主要发挥的是抗菌肽反应应答、细胞外基质构建、营养物质（维生素，氨基酸）代谢以及免疫应答等功能。不过，常见的典型免疫因子中，除了Il18稍有提升外，Il1a,Il1b, Il6, Il22,TNF, Il12, 和IFNs多没有出现显著的表达差异。
作者最后从免疫细胞、转录因子和菌三个角度各举一例典型做具体的讲解。包括： ①浆细胞样树突状细胞（pDCs）在细菌定植后的免疫表型波动，以及I型干扰素（IFNs）相关通路基因转录组的改变，能一定程度上解释pDCs在对应疾病中变化不一致的问题； ②通过抗菌肽（AMPs）在细菌定植后不同部位的变化模式和种类差异，找到脂类代谢和营养运输是驱动AMPs表达的关键； ③免疫调控的活跃菌之一可变梭杆菌（Fusobacteriumvarium）所调控免疫表型和肠组织转录具有独特的特征，包括抑制T4(CD4 )和 T8(CD8 )群体的增殖，同时促进结肠双阴性T细胞CD4-CD8-TCRβ 的数量扩张等；而同为梭菌属的具核杆菌能引起的机体应答则相对“平静”得多，展现出了相同属中的不同菌的功能差异可以十分巨大。 讨论
多样化的微生物种类，带来多样化的免疫调控。同时，对宿主的免疫和转录改变不存在微生物系统发育上的种属偏性，而同种菌中的不同株的效应也存在差别，说明人类肠道菌群的免疫调节既多样化，又有功能冗余。这一特性也许能缓冲肠道菌群波动对免疫系统的冲击。另外，同种不同株的差异，说明在功能研究中将分辨率提高至株水平的必要性。 亮点
1.将不同的细菌独立出来考察，获得了各个单菌对免疫调节的基线数据，可以为将来研究菌间相互效应提供了基础； 2.考察的物种数量多，且全部来自于人类肠道的常见菌，具有实用性； 3.检测的免疫指标也较多，涵盖了固有免疫和适应性免疫的关键组分，非常全面。 文献来源： |
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