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肠道作为营养素、微生物群和免疫反应的共享场所，在疾病的发生过程中起着不可或缺的作用。定植在胃肠道的共生菌可能超过100万亿，共生菌通过操纵免疫系统影响宿主健康，并且对免疫系统的发育和功能是必需的。共生菌与宿主免疫间的平衡也与稳态失衡介导的生理紊乱和疾病（如炎症性肠病（IBD），代谢综合征，糖尿病，变态反应和癌症）密切相关。通过调节肠道细菌的组成和功能，可能会改变免疫反应，从而减轻和治疗上述疾病。 营养干预，补充益生菌和菌群移植是目前改变肠道细菌群落的三种备选方案，其中营养干预因其高度的可及性和安全性而成为优先的选择。因此，了解细菌与宿主免疫的互作与交流，营养素应该是需要考虑的首要因素。  原名：Nutrients Mediate Intestinal Bacteria–Mucosal Immune Crosstalk 译名：营养素介导肠道细菌-粘膜免疫互作 期刊：Frontiers in Immunology IF：6.429 发表时间：2018年 通信作者：Xi Ma 通信作者单位：中国农业大学 1、肠道菌群与先天免疫系统互作 物理障碍、先天免疫细胞和分子构成了先天免疫系统，这是抵御病原体感染的第一道防线。在肠道内，嗜中性粒细胞和巨噬细胞通过模式识别受体(PRRs)识别和响应微生物群落的异常变化以调控肠道菌群。PRRs识别微生物相关分子模式(MAMP)，主要包括肽聚糖，鞭毛蛋白，脂多糖(LPS)和微生物的核酸结构。一些通过营养发酵的细菌代谢物也被PRRs识别，如丁酸盐。 PRRs由Toll样受体(TLR)，NOD样受体(NLR)，RIG-I样受体(RLR)，C型凝集素受体(CLR)。PRRs是先天性免疫系统中不可或缺的成分，研究报道表明，PRRs同时参与适应性免疫反应。本文主要关注2个重要的PRRs亚家族TLR和NLR，这是了解细菌-宿主交互作用的非常典型的例子(图1)。 图 1 2、肠道细菌与粘膜屏障之间的互作 肠道粘膜是一个动态界面，包含上皮单层，它在机构上将肠道相关淋巴组织与共生菌群落分隔。在功能上，肠道粘膜屏障是通过粘液层，肠细胞和紧密连接的协作共同防御病原体侵入的第一道自然防线。 消化道中的胃酸和蛋白质水解酶消化了进入肠道的大部分病原体。但是，仍然存在一些顽固性细菌，如幽门螺杆菌，它们通过改变周围环境的pH值，在酸性环境中存活。因此，上皮细胞间形成的紧密连接是防止病原体侵入的直接屏障。然而，一些病原体，例如许多肠杆菌科细菌，可以破坏肠上皮完整性和减少粘液分泌，此外，鼠伤寒沙门氏菌可引起腹泻，伤寒和胃肠炎。 此外，粘膜屏障和肠道病原体之间的相互作用需要共生细菌的参与，这不仅有助于抵御病原体，而且保持粘膜完整性和屏障功能。结肠的内粘液层将菌群与上皮细胞隔离的能力取决于定植的菌群向宿主上皮细胞传递信号。 无菌(GF)小鼠的若干实验证实了共生细菌的必要性。据报道，肠道接触细菌是刺激粘液合成的充分途径。同时，粘液的成熟度和丰度也依赖于肠道细菌。类似的研究发现，在GF小鼠中，即使粘液结构与常规小鼠的相似，小肠粘液也会附着在上皮上，并且结肠内部粘液层可被细菌渗透。此外，GF小鼠的Muc2 O-聚糖水平较低，这可能与负责O-聚糖延伸的糖基转移酶降低相关。有趣的是，考虑到聚糖是细菌的附着位点和能量来源，Muc2O-糖基化的减少反过来会阻碍细菌定植。 另外，在缺乏共生菌的情况下，肠上皮细胞(IECs)和紧密连接受损。在GF小鼠中，紧密连接蛋白即occludin和zonulaoccludens-1的表达减少。与常规小鼠相比，刷状缘上的肠上皮细胞的排列更不规则。但是，在乳酸杆菌定居后，微绒毛的排列组织良好。益生菌对肠道屏障的修复功能和益处也在Akkermansia muciniphila中得到证实，其潜在机制可能与调节肠粘液的厚度以维持肠屏障的完整性有关。 3、TLRs与肠道菌群互作 包括由上皮细胞表达的TLR在内的模式识别受体(PRRs)，可以识别共生细菌的MAMPs并调节共生菌和宿主之间的互作。与MAMP识别后，TLR形成同型或异源二聚体以募集含有TLR结构域的衔接蛋白，如MYD88，TIRAP，TRIF或TRAM，进而激活转录因子，包括NF-κB，激活蛋白1，IRF-3和IRF-7。宿主的微生物群组成受到TLRs及其接头蛋白状态的影响。TLR信号传导缺陷和内源性微生物群紊乱引起的异常免疫反应是造成IBD患者炎症和组织损伤持续存在的主要因素之一。 迄今为止，已经确定了13种不同的TLR。据报道，在抗生素处理的小鼠中回肠TLR4，TLR5和TLR9以及结肠TLR3，TLR4，TLR6，TLR7和TLR8的表达增加，而回肠TLR2，TLR3和TLR6以及结肠TLR2和TLR9降低。在DSS结肠炎小鼠中TLR2和TLR4上调，TLR5表达下降，其他TLRs保持不变。不健康状态下TLR表达呈现不同的变化表明TLRs之间的功能差异。 TLR2 TLR2在肠道神经细胞和平滑肌细胞中表达，识别细菌，支原体，真菌和病毒的各种成分。Lactobacillusacidophilus NCFM(嗜酸乳杆菌NCFM)通过TLR2途径(图1B)促进小鼠骨髓树突状细胞(mDC)表达抗病毒基因，如粘液病毒抗性1，IFN-β和干扰素刺激基因56。另一项研究表明，德氏乳杆菌TUA4408L(Ld)抑制产肠毒素大肠杆菌987P感染引起的猪的IECs的炎症反应(图1C)。而TLR2是Ld缓解炎症反应所必需的。通过TLR2/ TLR6途径，Bifidobacteriuminfantis 35624 (双歧杆菌35624)增加了人mDC和单核细胞来源的DC的IL-10分泌。最近的一项研究报道了脆弱杆菌的多糖A可以激活TLR2并促进抗炎细胞因子IL-10的分泌。此外，TLR2还可诱导炎性疾病中的NF-κB的活化，促进17细胞应答以增强炎症响应。所以，TLR2信号既可以诱导促炎反应，也可以诱导抗炎反应。而多样化的免疫反应依赖于它的共同受体和微环境。 TLR4 TLR4是第一个发现并且研究得比较透彻的TLRs，它通过调节先天免疫来维持肠道微生物耐受性和炎症之间的平衡。已知IFN-γ和TNF-α诱导的TLR4信号可促进炎症。IBD患者的上皮TLR4表达增加，且与上皮屏障受损和上皮细胞分化改变相关。研究证实TLR4在CD14和MD2的帮助下识别微生物表面的LPS。此外，研究还表明TLR4在不同肠道区域中的差异表达主要由该区域的细菌组成。 反过来，上皮TLR4表达也会调控肠道微生物群。TLR4过表达的特征是细菌移位和粘膜相关细菌密度增加。更具体地是，结肠粘膜中的Fusobacteria(梭菌属)、Proteobacteria(变形菌门)减少，Firmicutes(厚壁菌)增加，与IBD患者类似。另外，Lachnospiraceae(毛螺菌科)和革兰氏阳性菌Coriobacteria(红蝽菌)的增加也很显着。同时，Paneth细胞数量减少，其在限制共生菌渗透和病原菌入侵黏膜发挥作用)。一些研究还发现，上皮TLR4信号传导增加与抗微生物肽(AMP)基因的表达改变相关。Reg3g和Lyz2增加不仅可以调节粘膜微生物群的组成，而且可以提供防止细菌与粘膜接触的第一道防线。总之，TLR4和肠道微生物之间的双向调节确实存在，并最终改变宿主对结肠炎的易感性。 TLR5 TLR5是跨膜蛋白，在肠粘膜中高度表达，有助于防御感染。TLR5识别鞭毛蛋白，负责响应侵袭性细菌，并通过增加IgA的分泌和增强Th1和Th17的分化引发一系列促炎反应。TLR5识别鞭毛蛋白不仅可以介导细菌的运动，还可以防御鞭毛型病原体。与NLRC4不同，TLR5可以特异性调控共生菌群，并有效地消除可能促进疾病的病原体。据报道，IECs缺乏TLR5足以导致低度炎症、代谢综合征、易患结肠炎和微生物群成分失调。具体而言，鞭毛蛋白受体TLR5的缺失导致细菌经常破坏粘液屏障而接触或越过上皮细胞，但也导致鞭毛蛋白型的细菌水平增加。在这个过程中，LPS和鞭毛蛋白水平的升高与微生物群的改变相关。 因此，上述结果意味着在TLR上存在精确的MAMP识别机制以确保对细菌的准确反应。同时，肠道病原体和共生细菌的组成和活性也受TLR信号调节。最重要的是，在MAMP识别中彼此协作的不同TLR以相对独立的方式与肠道菌相互作用。 4、NLRs与菌群互作 NLR位于细胞质中，具有2个亚家族：NLRC和NLRP。NLRC亚家族的成员有NOD1、NOD2、NLRC4、NLRX1、NLRC3和NLRC5。NLRP亚家族由14个具有pyrin结构域的蛋白质组成。 NOD样受体对于识别细菌以调控健康的肠道微环境必不可少。多项研究表明，缺乏NOD1，NOD2或NLPR6的小鼠的细菌组成发生改变。 NOD1和NOD2 在NLRs中，NOD1和NOD2是最先鉴定的，在病原体识别中发挥重要作用。相反，肠道菌群组成的改变和易位可以调节NOD1和NOD2的信号传导。在粘膜免疫系统中，NOD1和NOD2与配体结合，激活与受体相互作用蛋白家族2和NF-κB通路。 据报道，NOD1识别革兰氏阴性菌的d-谷氨酰内消旋-二氨基，NOD2识别胞壁酰二肽(肽聚糖的代谢物)。非侵入性幽门螺杆菌感染依赖于NOD2信号传导(图1D)。研究表明，NOD1对于防止非侵袭性艰难梭菌和Spi1缺陷型沙门氏菌突变体感染是必不可少的(图1E)。在缺乏NOD2的情况下，拟杆菌(Bacteroidesvulgatus)增加、炎症反应加剧、杯状细胞功能障碍和炎性基因异常表达。 研究证实了NOD对共生菌的调控功能。但是，依然存在一些矛盾。NOD1缺陷小鼠的拟杆菌、梭状芽孢杆菌、肠杆菌科和节支分支杆菌(SFB)异常扩增。然而，另一项研究报道，NOD1缺陷小鼠和野生型同窝小鼠之间的目标菌群的相对丰度无显着差异。最近，霍乱毒素(CT)的佐剂依赖于CD11c+细胞的NOD2识别共生细菌，并通过cAMP/ PKA增强NOD2活性。 NLRC4 NLRC4是NLRC亚家族的另一成员，其在上皮隐窝中表达并在肠道健康中发挥重要作用。NLRC4早期识别柠檬酸杆菌对于调节其定植和减轻肠道损伤是必需的(图1F)。 沙门氏菌感染后，IEC的NAIP与细菌配体如鞭毛蛋白结合，然后激活NLRC4形成炎性体，进一步激活下游的Caspase-1或Caspase-8。据报道，Caspase-1的激活导致IEC死亡，IL-8和花生酸释放。另外，由NLRC4的下游信号致敏的Caspase-8也具有消除IEC的能力。矛盾的是，在这个过程中，Caspase-8对沙门氏菌感染的保护和致病作用可能都会发生。 NLRP3 NLRP3，NLRP6和NLRP12是先天免疫的调节剂。最近的一项研究报道，NLRP6缺陷小鼠拟杆菌和TM7比例增加。NLRP12是编码先天免疫负调节剂的基因，溃疡性结肠炎患者与NLRP12的低表达有关。NLRP12在小鼠体内的缺乏可增加结肠的炎症水平，降低微生物的密度，消除螺旋藻科的保护性菌株，促进属于Erysipelotrichaceae以及与结肠炎有关的菌株丰度。 NLRP3是炎症小体的组成部分。研究表明，肠道NLRP3过度活跃更可能维持动态平衡并对结肠炎和结肠直肠癌具有较强的抵抗力。IBD的肠炎症组织的miR-223的表达增加，研究发现，在缺乏miR-223的情况下，NLRP3在结肠和髓质细胞中的表达增加。此外，炎症单核细胞中的miR-223可直接介导NLRP3的表达，从而减轻炎症细胞的活性并抑制结肠炎。 NLRP3与肠道微生物群的相互作用也是至关重要的。NLRP3过度活跃可以增强固有层的单核吞噬细胞IL-1β而不是IL-18的分泌，并增加局部AMP来促进菌群的重建，进而进一步促进Treg的诱导和抗炎反应。 由于许多PRRs在免疫应答中发挥复杂、且矛盾的作用，因此有必要探索大多数PPRs在不同微环境下的基本识别机制，以及他们之间如何相互作用将共生菌从有害细菌中区分开来，以维持肠道动态平衡。总之，大多数PPR缺陷导致细菌群体组成异常。健康的先天免疫系统有助于肠道菌组成的优化，先天免疫系统的失调可能导致肠道菌群紊乱，可能导致疾病。 5、肠道菌群与适应性免疫系统的互作 通常，适应性免疫在病原体感染后几天开始，并产生与先天免疫系统配合的细胞因子和特异性抗体，以防止随后的病原体入侵。T细胞和B细胞是参与适应性免疫应答的2种主要免疫细胞。在适应性免疫应答期间，会进一步诱导记忆性T和B细胞产生二次免疫应答。 在肠道中，病原体和共生菌都是诱导适应性免疫应答的有效刺激物。相反，适应性免疫系统也是抵抗病原体入侵和调节共生菌群的有力武器。适应性免疫系统的损害可能导致肠道菌群异常和失衡。本章节重点讨论菌群变化和适应性免疫反应的双向效应，包括T细胞分化和分泌性免疫球蛋白A(SIgA)的分泌。 细菌和Th1,Th2 , Th17, Treg的细胞分化和细胞毒性淋巴细胞是通过细胞因子产生来调节适应性免疫应答的主要效应T细胞。Th17细胞产生促炎细胞因子，如IL-17，IL-21和IL-22，以增强炎症。Treg细胞分泌抗炎细胞因子IL-10以减轻炎症。Th17和Treg细胞分化之间的动态平衡是通过调节细胞因子如IL-6，IL-21和IL-2介导的。 在肠道内，一些细菌或某些已知的细菌混合物可影响T细胞的生成和分化。最近的研究表明SFB诱导Th17细胞在固有层的局部分化。此外，SFB与肠上皮细胞的粘附通过产生血清淀粉样蛋白A和活性氧物质诱导Th17积聚。此外，DC呈递的SFB的抗原依赖于MHCII (图2)。一些共生菌，毛螺旋菌科(Lachopiraceae) 的A4菌通过CBir1抗原诱导TGF-β的产生来抑制Th2细胞发育(图2)。几个团队也研究了梭菌定殖对T细胞分化的影响，发现梭状芽胞杆菌(Clostridia)可诱导Treg细胞的扩增以抑制结肠炎小鼠的炎症反应(图2)。相反，在GF小鼠中，定殖的肠道菌和富含LPS的无菌饮食诱导PP和MLN中的T和B细胞增殖和分化，尤其是MLN中的CD4+Foxp3 + T细胞。 此外，细菌产物如多糖也可影响T细胞分化。来自脆弱类杆菌的多糖A(PSA)促进Treg细胞分泌，抑制Th17活性以增强其肠道定植(图2)。编码两性离子荚膜多糖(ZPS)的细菌的基因组筛选发现，ZPS可激活T细胞功能。产生ZPS的细菌的裂解物依赖于抗原呈递细胞(APC)刺激Treg细胞的分化和IL-10的产生(图2)。 图 2 此外，T细胞的缺乏也会引起菌群的改变。据报道，Dishevelled1(Dvl-1)是Wnt/β-catenin途径的重要蛋白质，其控制T细胞祖细胞的增殖并调节T细胞发育和Treg细胞活化。在Dvl-1敲除小鼠中，通过促进机会性病原体生长，例如螺杆菌(Helicobactermastomyrinus)和抑制共生菌生来改变肠道细菌组成。 基于上述研究，可以推测调节T细胞分化是肠道共生菌在肠道内维持自身生存的机制。同时，T细胞的正常发育和分化对微生物群落的塑造也发挥作用，并且是维持肠道微生物体内平衡所需的。 6、肠道菌与SIgA分泌的关系 SIgA是肠道粘膜中最丰富的抗体。它由IgA二聚体和分泌成分(聚合型免疫球蛋白受体衍生多肽)组成，这个分泌组分由肠细胞分泌以稳定SIgA的结构并将SIgA固定在粘液上。PP和MLN的淋巴结是SIgA的主要分泌部位。一般来说，大多数SIgA的产生依赖于T细胞。 细菌抗原刺激时，PP中的IgA+B细胞通过淋巴细胞归巢转移至肠基质层以产生IgA并将其分泌至肠腔中。SIgA可以聚集潜在的和侵入性病原体，通过肠蠕动和粘膜纤毛运动来促进病原体的清除。此外，SIgA-病原复合物可被M细胞吞噬并被DC识别以增强免疫应答。该复合物还可以与T细胞结合诱导IL-4，IL-10和TGF-β的产生。然而，SIgA将共生菌与有害菌区分的机制仍不清楚，需要更多的研究来探索潜在的途径。 IgA也是维持宿主-细菌稳态的重要贡献者。在没有IgA的情况下，激活诱导的胞嘧啶核苷脱氨酶缺陷小鼠(AID−/−小鼠)的Firmicutes丰度更好，SFB增加。另据报道，γ-变形菌门特异性IgA应答部分受到新生细菌向成熟细菌转化的调节。目前，一项深入研究发现IgA介导的肠内稳态和细菌组成的改变是由肠道T细胞中的MyD88信号引导的。此外，限制肠道共生菌的生长和炎症反应并维持其多样性可能是IgA调节细菌稳态的两种潜在机制。 |
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