Cell（IF 41.582）| 肠菌-脑轴-免疫：黏膜真菌保护肠道屏障，并促进社交行为
2022-03-25
中科新生命
1674
美国康奈尔大学Iliev教授等人于2022年2月在顶级学术期刊Cell（IF 41.582)上发表题为“Mucosal fungi promote gut barrier function and social behavior via Type 17 immunity ”的文章，该研究在人和小鼠肠道黏膜中均鉴定出一组与肠腔真菌组成不同的黏膜相关真菌（Mucosa-associated microbiota，MAF），MAF可通过诱导CD4+ Th细胞产生IL-22，从而增强肠道屏障功能；并可通过促进产生IL-17A，作用于神经元上的IL-17R受体，从而促进小鼠的社交行为。这些发现表明真菌群在肠道生态位中的空间组织是驱动保护性粘膜免疫的关键因素，这种相互作用对肠道上皮细胞、神经元、屏障功能、肠道疾病和宿主行为具有深远的局部和全身影响。
技术路线
· 步骤1：在人和小鼠的肠道中，均可鉴定出一组MAF，与肠腔真菌的组成有显著差异；
· 步骤2：特定MAF（而非肠腔真菌）的肠道定殖可诱导CD4+ Th细胞产生IL-22，上调JAK/STAT信号，促进DNA修复，并增强小鼠的肠道屏障功能；
· 步骤3：MAF可在DSS+抗生素或鼠柠檬酸杆菌感染诱导的小鼠肠道损伤中起保护性作用；
· 步骤4：特定MAF的肠道定殖可诱导系统性的IL-17A产生，并通过作用于神经元上的IL-17R，从而促进小鼠的社交行为。
研究结果
消化道不同部位细菌群落组成存在差异，为了探索胃肠道（GI）真菌群落的生物地理学特征，作者采集了小鼠的胃、空肠、回肠、盲肠和结肠等GI区域肠腔（Lumen，LUM）和粘膜（Mucosa，MUC）样本，进行了ITS测序。结果显示GI真菌群落的组成在LUM和MUC间存在显著差异，而非不同的GI部位，此外LUM真菌群落多样性显著高于MUC样本（图1 A-C）。通过比较肠道部位真菌群落，分别鉴定出LUM和MUC组中特异性真菌群落，并在人体手术样本中发现了相似的真菌组成特征（图1 D-F）。这些结果表明只有一部分特定的真菌群落可以在独特的肠道黏膜环境中定植。接下来作者使用抗生素诱导并结合DSS介导的长期损伤的生态扰动模型，来评估LUM和MUC相关真菌群是否具有免疫保护潜力。结果表明MAF（白色念珠菌、酿酒酵母和扣囊复膜酵母）提供了对肠道损伤的保护，并降低了小鼠的死亡率和肠道屏障通透性（图1 G-I）。
图1 小鼠肠道粘膜相关的特征真菌群落
2. MAF促进肠道屏障完整性，并诱导CD4+ T细胞产生IL-22
肠上皮细胞形成肠道微生物群和粘膜免疫系统之间的第一道屏障。为了评估了MAF对肠上皮细胞的影响，作者进行了MAF小鼠定植实验和结肠上皮细胞的RNA-seq。结果显示MAF的肠道定植诱导了不同的转录谱，与免疫反应和细胞增殖相关的基因上调（图2 A-B）。由于真菌可以诱导强烈的免疫反应，我们假设MAF的保护作用可能是通过免疫系统介导的。免疫表型结果显示RORγt+Th7细胞的频率显著增加，并产生高水平的效应细胞因子IL-22、IL-17A和IL-17F（图2 C-H）。
图2 MAF促进肠道屏障完整性，并诱导CD4+ T细胞产生IL-22
3.MAF的保护作用由产IL-22的CD4+ T细胞介导
接着，作者使用IL-17-/-和IL-22-/-缺陷小鼠模型来评估IL-17、IL-22是否介导了MAF对肠屏障功能的保护作用。结果显示IL-22的缺失消除了MAF对小鼠生存和屏障功能的保护作用（图3 F-G）。结肠中ILC3细胞是产生IL-22的主要来源，但ILC3的频率以及IL-17、IL-22的产量不受MAF定植的影响（图3 E）。排除以上影响因素后，作者确定了CD4+ T是MAF诱导产生IL-22的主要来源，并通过Rag1-/-小鼠模型证实产IL-22的CD4+ T细胞介导了MAF的保护作用（图3 H-J）。
图3 MAF的保护作用是由产生IL-22的CD4+ T细胞介导的
4. MAF对鼠柠檬酸杆菌诱导的结肠炎具有保护作用
与肠道上皮的保护作用一致，在抗生素治疗的小鼠中，MAF的定殖降低了鼠柠檬酸杆菌感染的严重程度和肠道病原体负担（图4A-4G）。MAF定植对II22-/-小鼠没有任何益处，不仅加重了疾病的严重程度，还会导致鼠柠檬酸杆菌定殖增加（图 4I-K）。这些数据表明，MAF在小鼠感染性结肠炎中的保护作用与IL-22相关，而非与鼠柠檬酸杆菌直接竞争。
图4 MAF对鼠柠檬酸杆菌诱导的结肠炎具有保护作用
5. MAF促进小鼠的社会行为
最近的研究表明，与行为变化相关的神经精神疾病人类中肠道真菌群落的组成发生改变。作者使用抗生素诱导的细菌生态失调模型发现MAF定植不影响重复、焦虑和强迫相关的行为。但在三室社会试验中，MAF定植促进小鼠的社会行为（图5 A-F），且与抗生素造成的细菌群落耗竭无关（图5 G-J）。
图5 在三室社会试验中，MAF促进小鼠的社会行为
6. 神经元中IL-17Ra信号介导MAF诱导的社交行为增加
越来越多的证据表明，神经系统和免疫系统之间的相互作用在社会行为的发展中起着至关重要的作用，其中各种细胞因子在中枢神经系统（CNS）中具有直接的神经调节作用。实验结果显示MAF定植小鼠的血清和脾脏中只有IL-17A系统性增加，并且肠道和CNS神经元都表达高水平的IL-17受体基因Il17ra而不是IL-22受体基因Il22ra（图6 A-B）。此外，Il22缺失不影响小鼠社会行为的增加（图6 C-E），而Il17ra缺陷小鼠定植MAF后社会行为呈现下降（图F-H）。这些结果表明MAF定植通过IL-17A对神经元的直接作用促进了小鼠的社会行为。
图6 神经元中IL-17Ra信号介导MAF诱导的社交行为增加
小编小结
本研究沿胃肠道的菌群生物地理学进行了表征，并确定了与小鼠和人类肠粘膜相关的真菌子集。MAF可增强肠上皮功能并保护小鼠免受肠道损伤和细菌感染，特定MAF的肠道定植促进了小鼠的社会行为。肠道局部对屏障功能的影响依赖于CD4+ Th细胞产生的IL-22，而对社会行为的影响是通过神经元中的IL-17R依赖性信号传导介导的。因此，肠道菌群的空间组织，与宿主保护性免疫和上皮屏障功能相关并且可能是通过互补的17型免疫机制对小鼠行为进行神经免疫调节的驱动因素。
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肠-免疫-靶轴系统研究方案
· 16s/宏基因组----肠道微生物的组成及改变
· 免疫代谢组----肠道微生物产生的用于调控机体免疫的代谢物
· 免疫因子组----肠道微生物如何影响机体免疫
· 转录/蛋白质组----对终端靶器官应对炎症响应机制的系统描述
