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本文由廖维瑶编译，董小橙、江舜尧编辑。 原创微文，欢迎转发转载。 虽然在日常生活中涉及饮食变化和不同环境暴露，但成年人肠道微生物组的组成在人体健康的状态下非常稳定。其不稳定或生态失调可能与多种免疫、代谢和神经系统疾病有关。纵向测序研究表明，大多数细菌菌株在个体内持续存在多年，并且对于大多数物种，存在单一且持续显性的菌株（称为“单菌株稳定性”）。 有研究表明，粘液和先天性适应性免疫系统的组成部分对微生物组稳定性的影响与饮食无关。例如，免疫球蛋白A（IgA）是肠道中分泌的主要抗体同种型，但其影响肠道微生物组组成的机制尚不清楚。小鼠缺乏IgA会增加微生物组的个体差异并降低其多样性。IgA对细菌的直接作用主要在病原体感染肠道的背景下进行研究。然而，在健康肠道中对IgA的早期研究发现，粪便中的大部分活细菌细胞都受到IgA的包裹，反映了应对持久性土著微生物时IgA的稳态反应。有研究表明，IgA还可促进共生细菌粘附于组织培养的肠上皮细胞，但这种现象的机制尚不清楚。此外，人体最常见免疫缺陷是IgA缺乏，但其不会影响生命周期，只是会轻微增加呼吸道和胃肠道的易感性。 免疫系统应对微生物感染的反应强烈，但却允许微生物组终生定植，其中促进肠道微生物群建立和稳定的机制仍然不清楚。有研究人员发现，突出的人类共生拟杆菌脆弱拟杆菌的传感器/调节系统可以调节其表面结构，以引起和免疫球蛋白A（IgA）的结合。特异性免疫识别促进细菌粘附于培养的肠上皮细胞并与体内肠粘膜表面的密切联系。脆弱拟杆菌和其他共生物种需要IgA反应来占据一个确定的粘膜生态位，通过排除外源竞争剂来介导肠道的稳定定植。因此，研究人员认为除了IgA反应在病原体清除中的作用外，还可被微生物组选择以产生强大的宿主-微生物共生现象。 论文ID 原名：Gut microbiota utilize immunoglobulin A for mucosal colonization 译名：肠道微生物群利用免疫球蛋白A进行粘膜定植 期刊：SCIENCE IF：41.058 发表时间：2018年 通信作者： G.P.Donaldson S.K.Mazmanian 通信作者单位：加州理工学院生物与生物工程系 实验内容 脆弱拟杆菌（Bacteroides fragilis）是人体肠道微生物组的重要成员，具有改善临床前动物模型中炎症和行为症状的有益特性。该共生物表现出显著的单一菌株稳定性并在肠粘膜表面的富集定植。为了探索脆弱拟杆菌与宿主上皮的相互作用的物理特征，研究人员使用透射电子显微镜（TEM）来观察单克隆小鼠的结肠组织。脆弱拟杆菌通常在顶端上皮表面上形成紧密包裹细胞的离散聚集体（图1A）并穿透跨膜粘蛋白的糖萼层，几乎接触微绒毛（图1B和图S1A、S1B）。还发现了完整的脆弱拟杆菌细胞，其位于Lieberkühn隐窝的管道中（图1C和图S1C）。 研究人员之前在脆弱拟杆菌中发现了遗传基因座，命名为共生定植因子（ccfABCDE），这是在结肠隐窝定植所必需的。为了评估这些基因如何影响细菌定位到粘膜表面，研究人员用ccfCDE（Δccf）突变体使小鼠肠道菌群单一定植，然后通过TEM观察发现，脆弱拟杆菌Δccf在上皮粘膜内仅为稀疏的单个细胞，不与糖萼的接触（图1D和1E），并且从未在聚集体中观察到野生型细菌（图1F）。 结肠腔内的脆弱拟杆菌负荷在菌株之间是相同的（图S2A），表明粘液内的细菌聚集需要CCF系统。体内细菌细胞的高分辨率X线断层图显示存在覆盖野生型脆弱拟杆菌的厚的模糊被膜层（图1G），其在脆弱拟杆菌Δccf中显著降低（图1H和1I）。研究人员试图研究这种超微结构变化背后的细菌生理学，以及其对定植的潜在影响。在肠道定植和粘蛋白O-聚糖中的细菌生长期间ccf基因座被高度诱导，表明CCF系统可以感知特定宿主衍生的聚糖。 图1 图S1 ccf基因与多糖利用系统同源，其中σ因子（ccfA）被细胞外聚糖感知激活，因此研究人员假设ccfA可激活参与粘膜定植的基因。研究人员在脆弱拟杆菌中过表达ccfA，并在体外生长期间通过RNAseq评估全基因表达（没有过表达的ccf在培养物中表达很差）。在由ccfA调节的非ccf基因中，25个基因中的24个映射到荚膜多糖A和荚膜多糖C（PSA和PSC）的生物合成基因座（图2A和2B，以及表S1）。相应地，ccf突变降低了PSC的表达并增加了体内PSA的表达（图2C）。虽然已知荚膜多糖的相变会影响脆弱拟杆菌的一般体内适应性，但这些研究在粘膜定植的背景下鉴定了特定多糖的转录调节途径。 研究人员使用水平透射测定法模拟单菌株稳定性，其中分别携带野生型脆弱拟杆菌的同基因菌株的共同饲养动物导致从一只动物到另一只动物的最小菌株传递（图2D和图S2A）。通过细菌占据物种特异性营养物质或空间生态位来提供这种种内定殖抗性。然而，如先前报道的那样，如果小鼠最初被脆弱拟杆菌Δccf定植，在共同饲养后，动物将允许野生型脆弱拟杆菌共同定植（图2E和图S2B），表明生态位饱和度中依赖CCF的缺陷。在PSC的生物合成基因（ΔPSC）中携带突变体的小鼠显示出野生型细菌的高度可变的共定植（图2F和图S2C）。有趣的是，研究人员观察到该突变体中PSB生物合成基因表达的意外增加（图2H），这可以补偿PSC的损失。研究人员在合成PSB和PSC（ΔPSB/ C）时生成了缺陷菌株，虽然菌株保留了ccf表达（图S2G），但与双突变体单相关的小鼠始终不能维持定植抗性（图2G和图S2D到S2F）。 尽管在单一定植环境中缺乏竞争，并且结肠腔中存在均等的定植水平（图S2H），但脆弱拟杆菌Δccf和ΔPSB/ C菌株在升结肠粘液的定植方面存在缺陷（图2I），反映粘膜生态位饱和度受损。因此，当研究人员使用TEM对体内ΔPSB/ C株进行成像时，尽管被膜不像脆弱拟杆菌Δccf那么薄（图S2I和S2J），但与野生型细菌相比，消除了标志性上皮聚集表型（图S2K和S2L）。因此，研究人员得出结论，CCF系统调节被膜表达以介导脆弱拟杆菌粘膜定植和单一菌株稳定性。 图2 图S2 表S1 为了研究有助于粘膜定植的宿主反应，研究人员在野生型脆弱拟杆菌或脆弱拟杆菌Δccf定植期间分析了升结肠的转录组。值得注意的是，14种差异表达基因中的7种编码免疫球蛋白可变链（图3A和表S2）。研究人员没有观察到Δccf定植的小鼠中任何免疫应答的升高（图S3A），表明粘膜结合的变化不是由炎症引起的。因此，研究人员测试了ccf对荚膜多糖的调节是否影响细菌对IgA的识别。 在来自单一定植动物的粪便样品中，野生型脆弱拟杆菌被IgA高度包被，其在Δccf和ΔPSB/ C菌株中显著减少（图3B和3C，以及图S4A）。研究人员观察到这些菌株在诱导总粪便IgA方面没有差异（图3D），反映了非特异性IgA产生的等效刺激。 为了测试细菌特异性反应，评估用从脆弱拟杆菌单定植化的小鼠的粪便中提取的IgA与从单结构化Rag1-/-小鼠（体内适应但不含IgA的细菌）中回收的细菌的结合。细菌裂解物的蛋白质免疫印迹显示在Δccf和ΔPSB/ C菌株中消除了对荚膜多糖的强IgA反应性（图3E和3F）。尽管IgA可以是多反应的，但与拟杆菌的裂解物的结合是物种特异性的（图S4B），并且需要在细菌定植后诱导IgA（图S4C和S4D）。 因此，在整个细菌结合测定中，与Δccf和ΔPSB/ C菌株相比，野生型细菌诱导的IgA最大程度地包被野生型脆弱拟杆菌（图3G）。由脆弱拟杆菌Δccf诱导的IgA表现出与野生型细菌的结合降低（图3G）。向体内适应的无IgA细菌中添加IgA增加了脆弱拟杆菌在组织培养中对肠上皮细胞的粘附（图3H），但对细菌活力没有影响（图S4E）。产生更多粘液的细胞系表现出更大的IgA增强的脆弱拟杆菌粘附能力（图S4F），与先前表明IgA结合粘液的工作一致。 重要的是，如果靶细菌缺乏ccf或PSB / C，或者如果测试的IgA是由ccf突变体或拟杆菌拟杆菌诱导的，则IgA增强的依从性降低（图3H和图S4G）。虽然致病细菌精细化荚膜多糖用于免疫逃避，但这些结果表明脆弱拟杆菌展开特异性被膜用于免疫吸引，可能形成稳定的粘膜定植。 图3 图S3-S4 表S2 随后，研究人员确定了IgA包被是否促进小鼠中的脆弱拟杆菌定植。使用水平传播范例，用野生型脆弱拟杆菌定殖的Rag1-/-小鼠很容易被来自携带动物的同基因菌共同定殖（图S5A和S5B），显示在适应性免疫缺陷时缺乏定植抗性。接下来，研究人员用抗CD20抗体（图S5C）处理野生型小鼠以消耗B细胞（图S5D至S5F），从而减少总粪便IgA水平（图S5G）并在单结构化过程中消除野生型脆弱拟杆菌的IgA涂层（图4A）。从同种型对照处理的小鼠中回收IgA，也用脆弱拟杆菌单克隆化，在体外促进野生型细菌对上皮细胞的粘附，而抗CD20处理的小鼠的IgA尽管暴露于脆弱拟杆菌抗原但没有作用（图4B）。 在水平透射测定中，用脆弱拟杆菌单克隆化的B细胞耗尽的小鼠容易被野生型细菌侵入，而同种型对照注射的动物保留了定殖抗性（图4C和图S5H）。因此，活性B细胞对脆弱拟杆菌定植的反应增强了单菌株稳定性。 由于B细胞耗竭消除了所有抗体同种型，因此产生了无菌IgA-/-小鼠并用脆弱拟杆菌单克隆化。研究人员没有观察到IgM的补偿性涂层（图S6A）。在野生型（BALB / c）和IgA-/-小鼠的水平传播试验中，缺乏IgA会允许攻击菌株共定殖（图4D和图S6，B至D），表明IgA对单一稳定性的特异性贡献。该特征在具有完整微生物群落的小鼠中被复制，所述微生物群落“掺入”具有遗传标记的脆弱拟杆菌菌株（图S6E和S6F），揭示了单个细菌物种的单一应变稳定性发生在复杂群落的背景中。与野生型小鼠相比，单克隆化的IgA-/-小鼠在结肠粘液中具有降低的活细菌水平（图4E），尽管它们在结肠腔中具有更多的细菌（图S6G）。 升结肠组织的TEM图像显示，在IgA-/-动物中，野生型脆弱拟杆菌不能在上皮表面聚集（图4F和4G），类似于野生型中的ccf和PSB / C突变体。脆弱芽孢杆菌细胞在IgA存在下也在粪便中形成聚集体（图S7），表明增强的粘膜定植可能是由于粘液内聚集或生长增加。这些发现支持一种模型，其中ccf调节特定荚膜多糖的表达以吸引IgA结合，从而允许强大的粘膜定植和单菌株稳定性。 除了脆弱拟杆菌之外，研究人员测试了在将小鼠微生物群控制引入无菌BALB / c或IgA-/-小鼠后，IgA是否形成复杂的微生物组。在定植后一个月，尽管两种小鼠基因型的粪便中具有相似的微生物组谱（图S8A），研究人员观察到特定分类群的差异（表S3）。研究人员还发现IgA-/-小鼠结肠粘液和结肠腔之间的社区分层缺陷（图4H和图S8B），揭示了这两个解剖位置之间的微生物组谱需要IgA来个体化。值得注意的是，与BALB / c小鼠（图4I和图S9A）相比，IgA-/-小鼠粘液中独特地映射到脆弱拟杆菌的高度粘液富集的精确序列变体（ESV）显著减少，此现象可支持研究人员从观察单一定植小鼠中获得的结果。 为了将这种分析扩展到其他微生物物种，研究人员将理研菌科（Rikanellaceae）、Blautia sp.和分段丝状细菌（SFB）鉴定为高度IgA包被（图S9B），并评估结肠或回肠粘液中这些分类群的丰度。在没有IgA的情况下，Blautia sp.和分段的丝状细菌（SFB）显示出与粘膜的联系增加（图4I），证明IgA可以保护肠屏障。然而，类似于脆弱拟杆菌，Rikanellaceae在结肠粘液中高度丰富并且在IgA-/-小鼠中显著耗尽（图4I）。研究人员得出结论，IgA增强的粘膜定植发生在多个脆弱拟杆菌菌株和肠道微生物组的其他物种的复杂群落中。 图4
图S5-S9 综述结论 传统观点认为，免疫系统进化是为防止微生物定植。然而矛盾的是，动物不仅能够耐受复杂的微生物组，且在脆弱拟杆菌引起免疫反应的情况下与其哺乳动物宿主也密切相关。相关的共生细菌也可能在共生期间从积极参与IgA中获益，而缺乏适应性免疫力的Rag2-/-小鼠含有较少的拟杆菌，并且B细胞缺陷和IgA 动物显示出拟杆菌科减少的定植。 先前研究已经表明IgA-/-可增加大肠杆菌、乳双歧杆菌和鼠李糖乳杆菌对组织培养的上皮细胞的粘附，表明这些微生物也可以从IgA中获益以建立粘膜细菌群落。粘膜微生物组不稳定性或免疫调节物种的丧失可能是人体IgA缺乏与自身免疫疾病之间联系的基础。有趣的是，来自患有IBD或营养缺乏个体的IgA包被的细菌加剧了小鼠的病理状态，但来自健康人的IgA包被的细菌保护小鼠免于疾病。研究人员认为在健康状态时，IgA促进具有培育微生物群的粘膜定植的有益特性，而疾病状态可能诱导（或由其引起）对病原体或破坏健康微生物组平衡的病原体的IgA反应。实际上，计算模型表明IgA可以维持局部粘膜群并清除侵入性病原体。除了作为防御系统，适应性免疫与肠道微生物组组成也密切相关。 |
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