客户案例 | Nature 主刊：新机制！肠道菌群如何通过改变饮食成分来影响宿主免疫

人体肠道微生物群源源不断地将来自宿主和饮食的天然产物转化为生物活性代谢物。肠道免疫具有高度组织区域化的特征，小肠是机体消化吸收膳食营养物质的主要场所，膳食脂肪可经脂解作用形成游离脂肪酸并被机体作为必须微量营养元素所吸收。而肠道共生菌将一些长链不饱和脂肪酸（如亚油酸）修饰成各种脂肪酸异构体，这些异构体调节宿主代谢并具有抗癌特性。然而，目前对这种饮食-微生物 FA 异构化网络如何影响宿主的粘膜免疫系统仍缺乏深入研究。

2023 年 6 月，中科院分子细胞科学卓越创新中心宋昕阳研究员与肠道菌群研究先驱、美国哈佛医学院 Dennis L. Kasper 院士共同通讯在 Nature（IF = 64.8）上发表了题为「Gut microbial fatty acid isomerization modulates intraepithelial T cells」的研究论文，发现肠道微生物以亚油酸（Linoleic Acid, LA）等常见脂肪酸为食，并将其转化为共轭亚油酸（亚油酸的同分异构体，CLA）。这种副产物作为生物级联反应的信号，最终刺激一种特定类型的免疫细胞亚群 CD4+CD8αα+上皮内淋巴细胞（CD4+CD8αα+ IELs）的发育并驻留在小肠中。这种级联反应被打断的小鼠更容易被一种常见的食源性病原体——鼠伤 han 沙门氏菌所感染。（麦特绘谱提供长链脂肪酸靶向定量检测分析服务）

肠道 FAs 诱导 CD4⁺CD8αα⁺ IELs

研究发现，CD4+CD8αα+ IELs 主要存在于无特定病原体 (SPF) 小鼠而非无菌 (GF) 小鼠的小肠上皮内区域，因此作者推测小肠内细菌通过改变来自宿主饮食的代谢物来促进 CD4+CD8αα+ IELs 的诱导。比较不同饲粮喂养 SPF 小鼠肠道组织，发现饲喂营养丰富粮食的 SPF 小鼠的 CD4+CD8αα+ IELs 水平显著高于基本营养饮食的 SPF 小鼠，饲粮对 CD4+CD8αα+ IELs 水平的影响仅限于小肠（十二指肠、空肠和回肠），在盲肠和结肠中未观察到。这表明，饮食来源的分子，或由宿主或其共生微生物修饰的饮食分子，可能对小肠中 CD4+CD8αα+ IELs 的诱导至关重要。

接下来，作者试图确定饮食和肠道因素是否负责调节小肠中 CD4+CD8αα+ IELs 水平，首先排除了胆汁酸（BA）本身及胆汁酸信号级联影响后，最终将注意力集中在各种脂肪酸上。在给小鼠喂食特定脂肪酸后，他们发现，食用一种被称为亚油酸（LA）的长链脂肪酸的小鼠开始在它们的小肠中出现 CD4+CD8αα+ IELs 细胞。
 

图 1. 肠道 LCFA 代谢物对上皮内 CD4⁺CD8αα⁺ 细胞的维持至关重要

微生物是 LA 异构化的必要条件

一些肠道细菌，如肠球菌、乳杆菌、双歧杆菌、瘤胃球菌和毛螺科，可以通过亚油酸异构酶 (LAIs) 将 LA 转化为 CLAs。小鼠肠道菌群组成在摄入低营养饮食后发生了变化，其中这些小鼠的回肠中几种产生 CLA 的细菌丰度同时降低。作者进一步确定饮食和微生物群对肠道中 CLA 水平的影响，并发现细菌生物转化过程对肠道 CLA 的产生至关重要。为了进一步确定 LAI 基因阳性细菌中的 LCFA 异构化途径是否参与回肠 CD4+CD8αα+ IELs 的诱导，选择两种 CD4+CD8αα+ IELs 诱导株: 粪肠球菌 MMH594 和粪肠球菌 OG1RF。在失去将 LA 转化为 CLAs 的能力后，这些粪肠球菌菌株无法诱导回肠产生 CD4+CD8αα+ IELs。这表明，小鼠小肠内 CD4+CD8αα+ IELs 的产生需要由 LAI 阳性共生菌编码的 LA 代谢途径。
 

图 2. 肠道细菌通过 LCFA 异构化途径控制上皮 CD4⁺CD8αα⁺ 细胞

CLAs 通过 HNF4γ 诱导 CD4⁺CD8αα⁺ IELs

饲料中的 LA 可被微生物代谢修饰，其产物 CLAs 具有宿主免疫调节特性。因此，进一步探讨宿主如何识别微生物 CLA 信号来维持回肠 CD4+CD8αα+ IELs 稳态。表达 CD8 α 的 SPF 小鼠回肠 IELs 转录组学分析显示，CD4+CD8αα+ IELs 与 TCRβ+CD8αβ+和 TCRβ+CD8αα+ IELs 的基因表达模式明显不同。尽管所有三个 IEL 群体都表达了与 CD8+ T 细胞中细胞毒性 T 淋巴细胞程序相关的基因，但 CD4+CD8αα+ IELs 保留了许多由 CD4+细胞系编码的细胞因子的基本表达，这些细胞因子对维持肠道屏障功能很重要，例如 IL10、IL17a、IL17f 和 IL22。

进一步分析发现 CD4+CD8αα+ IELs 选择性地表达两种核受体: HNF4α 和 HNF4γ，这两种受体已被报道为肠道上皮细胞 FA 代谢的关键调节因子。其中 HNF4α 在整个胃肠道中高度表达，而 HNF4γ 主要在小肠中表达。CD4+ T 细胞中 HNF4α 的缺失并不影响回肠 CD4+CD8αα+细胞或其他 IEL 对照物的水平。值得注意的是，TF-ThPOK 和受损的 CD4 谱系水平升高 HNF4 g 缺陷小鼠 CD4+IELs 中 CD8αα+细胞频率。通过比较 HNF4 g 缺陷小鼠及其对照组小鼠 IECs 中免疫信号相关基因的表达，发现这些免疫基因在 Hnf4 g 缺陷的 IECs 中没有下调，这表明在 Hnf4 g 缺陷小鼠中存在一种独特的调节 IELs 的机制。接下来，作者通过过继性地将 Hnf4 g 正常或缺乏 Hnf4 g 的初始 CD4+ T 细胞转移到 Tcrb 敲除小鼠体内，发现内在的 HNF4γ 可调节回肠 CD4+CD8αα+ IELs。

为确定肠道 CLAs 是否通过 HNF4γ 调节回肠 CD4+CD8αα+ IELs，作者用六种 B 胆汁酸 (CA、CDCA、UDCA、TCA、TCDCA 和 TUDCA) 混合乳化的 CLAs 治疗 Hnf4 g 缺陷小鼠，发现 CLA-BA 混合物能够恢复低营养饮食的 Hnf4 g 窝鼠的 CD4+CD8αα+ IELs 的回肠频率；而单独补充 CLA 无法恢复 Hnf4 g 缺陷小鼠的回肠 CD4+CD8αα+ IELs 水平，这表明微生物 CLA – Hnf4γ 轴在调节这种 IEL 群体中起着关键作用。

 

图 3. 肠道 CLAs 通过 HNF4γ 调节上皮内 CD4⁺CD8αα⁺ 细胞

HNF4γ 通过 IL-18 受体下调 ThPOK

接下来，作者探究 CLA-HNF4γ 轴调节 CD4+CD8αα+ IELs 的机制。三个表达 CD8 α 的 TCRβ+ IEL 亚群的转录组比较显示，CD4+CD8αα+ IELs 高水平表达 IL13ra1 和 IL18r1。检测相应细胞因子缺陷小鼠的回肠 CD4+CD8αα+ IELs 水平表明，IL-18 信号传导在控制这种 IEL 群体中具有潜在作用。虽然 HNF4γ 缺乏或低营养饮食不会影响回肠 IL-18 水平，但 HNF4γ 可以结合回肠 CD4+ IELs 中 IL18r1 位点的转录起始位点 (TSS)。

此外，低营养饮食导致 CD4+ IEL 表面 IL-18R1 表达受损。通过补充 CLA，小鼠 CD4+ IELs 中 IL-18R1 水平的恢复依赖于 HNF4γ。这表明 CLA-HNF4γ 轴在控制 CD4+ IELs 中 IL18r1 介导的信号传导中是至关重要的。进一步实验发现在 IL18 缺陷小鼠和 IL18r1 缺陷小鼠的 CD4+ IELs 中 ThPOK+种群增加，而在这些小鼠的回肠中其他 TCRβ+ IELs 保持完整。因此，肠道 CLAs 激活 HNF4γ 促进 IL-18R1 在 CD4+ IEL 中的表达，而 IL-18 反过来通过其受体信号下调 ThPOK，使 CD4+CD8αα+ IELs 分化。
 

图 4. 肠道 CLA-HNF4γ 轴通过 IL-18 信号传导诱导上皮内 CD4⁺CD8αα⁺ 细胞

CLA-HNF4γ 轴调控肠道感染

据报道，CD4+CD8αα+ IELs 可维持肠道稳态，这些 IELs 表达抗感染和屏障修复功能的特征基因。本研究分析了 CLA-HNF4γ 级联是否调节鼠伤 han 沙门氏菌 (STm) 感染模型中的肠道炎症反应。首先发现饲料中添加 CLA 可以恢复小鼠的回肠 CD4+CD8αα+ IELs。此外，给予 CLA+低营养饮食的小鼠对 STm 感染的抵抗力与营养丰富饮食的小鼠一样，而单纯喂食低营养饲粮的小鼠表现出更高的死亡率、严重的上皮破坏、血清炎症细胞因子水平增加和细菌传播到非肠道器官增多。因此，CD4+ T 细胞中的 HNF4α 信号在 STm 感染的控制中是不可缺少的。然而，Hnf4 g 缺陷小鼠比其同窝小鼠更容易感染 STm，CD4+ T 细胞中的 HNF4γ 信号也显示出对 STm 感染的保护作用。表明干预 CLA-HNF4γ 轴可调控肠道感染程度。
 

图 5. CLA-HNF4γ 轴控制肠粘膜感染

小结

本研究通过靶向代谢分析结合体内外机制研究，表明肠道菌群 FA 衍生物 CLAs 是通过 HNF4γ 介导的 IL-18 受体信号传导维持健康的 CD4+CD8αα+ IELs 池的重要分子因子，提出了一种膳食-微生物-宿主的三重互作信号网络调控机体黏膜稳态与抗感染免疫的新型功能机制。
 

原文文献

Song, X., Zhang, H., Zhang, Y. et al. Gut microbial fatty acid isomerization modulates intraepithelial T cells. Nature. 2023.

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