综述(下)| Annu. Rev. Immunol.：肠道微生物群、上皮细胞和免疫细胞之间的互作
编译：小范儿，编辑：小菌菌、江舜尧。
原创微文，欢迎转发转载。
胃肠道内有许多共生细菌，称为微生物群，通过消化饮食成分以及消除病原体有益于宿主健康。肠道菌群通过代谢产物，自身成分以及粘附宿主细胞保持上皮屏障的完整性，并塑造粘膜免疫系统，平衡宿主防御和口服耐受性。为了避免异常的免疫反应，上皮细胞通过建立化学和物理屏障隔离肠道菌群和免疫细胞，建立宿主-共生微生物共生关系。此外，肠道免疫细胞维持健康微生物群并增强上皮屏障功能。在患有自身免疫性疾病以及慢性炎症性疾病的患者中观察到微生物群组成异常。理解肠道微生物群，上皮细胞和免疫细胞之间的密切相互作用对于维持肠道稳态至关重要，对各种疾病的诊断和治疗方法的发展有促进作用。
论文ID
原名：Interaction Between the Microbiota, Epithelia, and Immune Cells in the Intestine
译名：肠道微生物群、上皮细胞和免疫细胞之间的相互作用
期刊：Annual Review of Immunology
IF：20.760
发表时间：2020.04
通讯作者：Kiyoshi Takeda
作者单位：大阪大学医学研究院微生物与免疫学系
主要框架
主要内容
3.微生物群和免疫细胞之间的相互作用
3.1 从肠道菌群到肠道免疫细胞的信号
在肠粘膜中，固有髓细胞在固有淋巴细胞和适应性淋巴细胞的活化和分化中起着关键作用。Th1和Th17细胞驱动的炎症反应保护宿主免受有害微生物的侵袭，而它们的过度激活与肠道炎症的发病机制有关。在适应性免疫细胞中，Foxp3+调节性T细胞(Tregs)可抑制效应T细胞的不恰当活化，促进粘膜耐受。肠道菌群指导宿主先天免疫和适应性免疫的功能成熟。肠道微生物向免疫细胞发出的信号分为以下两类:细菌来源的代谢物和细菌成分。
3.1.1细菌代谢物和免疫细胞
通过调节免疫反应，源自微生物群的代谢产物有助于维持肠道稳态或肠道炎症的发病机理。
梭状芽胞杆菌VI，XIVa和XVIII产生的SCFA通过引发上皮细胞TGF-β的产生，促进Foxp3 + Treg产生。SCFAs在免疫细胞中起组蛋白去乙酰化酶(HDAC)抑制剂的作用(图1b)。丙酸引起产生IL-10的Foxp3 +Treg，通过GPR43信号通路，抑制HDAC促进其抑制活性，预防T细胞引起的结肠炎，丁酸通过抑制HDAC促进外周组织中Foxp3 + Treg的产生。梭状芽孢杆菌产生的丁酸使Foxp3基因启动子组蛋白H3乙酰化，加速Foxp3+ Treg分化。在先天免疫系统中，丁酸通过抑制巨噬细胞中促炎性介质的表达并通过抑制HDAC抑制DC成熟，从而保持对共生细菌的低反应性。此外，丁酸介导的GPR109a信号激活为巨噬细胞和树突细胞（DC）提供抗炎特性，使其在结肠中积累Foxp3 + Treg和产生IL-10的CD4 + T细胞。乙酸通过p70 S6激酶(S6K)的乙酰化和核糖体蛋白S6 (rS6)的磷酸化激活雷帕霉素(mTOR)信号机制靶点，以GPR41/ gpr43独立的方式促进Th1、Th17和产生IL-10的CD4+ T细胞的分化。Th1细胞中的SCFA/GPR43信号通过激活STAT3和mTOR上调Blimp-1的表达，诱导这些细胞产生IL-10。
3.1.1.2 乳酸和免疫细胞
乳酸是一种微生物发酵膳食纤维产生的有机酸。新生儿肠道主要定殖者多为产乳酸菌，如双歧杆菌、乳酸菌、拟杆菌、肠球菌、葡萄球菌、链球菌等。黑腹果蝇(Drosophilamelanogaster)的肽聚糖识别蛋白(peptidoglycanrecognition protein, PGRP)-SD发生突变，导致植物乳杆菌过度生长，乳酸水平升高。突变果蝇体内乳酸介导的ROS增加导致肠上皮干细胞过度增殖，微生物介导的肠道发育异常，导致其寿命缩短。饥饿后再饲喂的小鼠结肠道中鼠乳杆菌产生的高水平乳酸加速结肠上皮更新，这种情况下的肠上皮细胞表现对致癌物高水平的敏感性。
来自益生菌(VSL#3)的乳酸有益于小肠屏障的完整性。共生菌产生的乳酸通过一种乳酸特异性受体GPR81在Paneth细胞和基质细胞中诱导Wnt3表达，支持上皮干细胞增殖，防止肠道损伤(图1b)。此外，乳酸通过影响固有层CX3CR1+吞噬细胞发挥免疫调节作用，固有层CX3CR1+吞噬细胞通过将树突伸入管腔内摄取管腔细菌。在小肠内，微生物产生的乳酸和丙酮酸通过激活GPR31信号，诱导CX3CR1+吞噬细胞的树突突起(图1b)。口服非侵入性沙门氏菌后，Gpr31缺陷型小鼠的免疫反应受损，CX3CR1+吞噬细胞对腔内沙门氏菌的吸收减少，导致死亡率高于野生型小鼠。
3.1.1.3 次级胆汁酸和免疫细胞
次级BAs通过其受体(包括TGR5和FXR)调节肠道和肝脏的免疫反应(图1c)。BAs与TGR5的相互作用减少NLRP3炎性小体激活，抑制NF-κB信号传导或诱导CREB介导的IL-10的产生，下调巨噬细胞促炎细胞因子产生。除了TGR5以外，巨噬细胞中的BA-FXR轴还通过核受体辅阻遏蛋白（NCoR）介导的染色质修饰抑制NF-κB依赖性炎症介质的表达，包括IL-6，TNF-α，IL-1β和iNOS。
由梭状芽胞杆菌产生的次级BAs通过降低CXCR6的配体CXCL16在肝窦内皮细胞上的表达，抑制表达CXCR6的自然杀伤T (NKT)细胞向肝脏募集。新生儿期菌群定植导致基因CpG岛高甲基化，导致IECs中Cxcl16表达下调。这与表达肠道CXCR6的恒定NKT（iNKT）细胞数量减少以及严重肠道炎症的发展有关。
回肠固有层含有大量宿主来源的BA。效应CD4 + T细胞在肠固有层中上调ATP依赖的外流性转运蛋白ABCB1的表达，称为多药耐药性1（MDR1）。特别是，回肠效应T细胞通过CD103 + DC介导的机制高表达MDR1。ABCB1遗传多态性是IBD的危险因素。缺乏ABCB1的小鼠由于屏障完整性的破坏而遭受由共生细菌介导的自发性结肠炎。此外，Rag1缺陷小鼠接受转移的Abcb1a / 1b缺陷未成熟CD4 + T细胞会独立于肠道细菌而发展为严重的回肠炎。受体小鼠中的BA隔离或BA转运蛋白（ASBT）缺乏可减轻由效应T细胞中ABCB1缺陷引起的严重回肠炎。效应CD4 + T细胞上的ABCB1减轻由共轭BAs诱导的氧化应激，这与促炎性细胞因子的产生增加有关。有趣的是，患有回肠克罗恩病的患者在效应T细胞中显示ABCB1功能丧失。因此，效应T细胞和宿主衍生的BAs通过ABCB1的协同相互作用对于T细胞稳态至关重要，可以预防回肠炎症。
3.1.1.4 ATP和免疫细胞
从受损或死亡细胞中释放的细胞外ATP可以激活免疫细胞并引发细胞死亡。在肠道中，细胞外ATP是由共生细菌和病原体产生的，包括肠球菌、胆肠球菌、大肠杆菌和沙门氏菌，或者由激活的固有层免疫细胞产生(图1e)。为了响应来自共生细菌的ATP，在鼠大肠中CX3CR1介导CD70 + CD11b +DC产生IL-6,IL-23以及TGF-β促进Th17细胞分化。
细胞外ATP受ATP水解外切酶的精细控制：外切核苷三磷酸二磷酸水解酶（E-NTPDases）和外切核苷焦磷酸酶/磷酸二酯酶（E-NPPs）。E-NTPDases催化ATP水解为ADP之后ADP水解为AMP。其中，E-NTPD1和E-NTPD7发挥免疫调节作用。E-NTPD1，也称为CD39，在Tregs上高度表达。TCR刺激可促进Foxp3 + Tregs中CD39的水解酶活性，随后增强其免疫抑制活性。此外，先天髓样细胞上CD39的ATP水解负调控ATP诱导的嗜中性粒细胞趋化性，嗜中性白细胞产生IL-8以及巨噬细胞产生IL-1β。在对肠道炎症表现出高度敏感性的Entpd1缺陷小鼠中证实CD39的免疫调节功能。E-NTPD7在小肠的上皮细胞上高度表达。在Entpd7缺陷小鼠中，小肠Th17细胞数量增加，同时腔内ATP浓度升高，然而，抗生素治疗或使用ATP拮抗剂减少Th17细胞数量。因此，E-NTPD7介导的微生物源的腔内ATP水解参与抑制小肠Th17反应。
有七个E-NPP。E-NPP1，E-NPP2和E-NPP3可以水解ATP。E-NPP3在小肠的上皮细胞中高度表达。Enpp3缺陷小鼠小肠内腔ATP水平升高。小肠和Peyer斑块中Enpp3缺乏症引起的细胞外ATP增加导致P2X7受体介导的浆细胞样树突状细胞(pDCs)凋亡。除上皮细胞外，在固有层中丰富的肥大细胞在FcεRI交联后高表达E-NPP3。活化的肥大细胞分泌大量的ATP，并且通过P2X7受体的自分泌ATP信号参与肠道炎症的发病机制。此外，Enpp3-/-小鼠会因严重的ATP清除缺陷而导致严重的过敏性肠道炎症，并伴肥大细胞数量增加。有趣的是，克罗恩病患者结肠中表达P2X7受体的肥大细胞水平升高。因此，ATP水解酶对于抑制与IBD相关的肠道炎症至关重要。
共有细菌和致病细菌通过激活肠道中的TLR途径指导宿主的免疫反应（图3）。捕获腔内非侵入性细菌的CX3CR1high吞噬细胞在稳定状态下不会迁移。通过TLR / MyD88信号传导，定居于肠道的微生物群限制固有层CX3CR1高吞噬细胞向肠系膜淋巴结（MLN）运输。Myd88缺乏症和失调可引起MLNs中Th1反应增强以及对非侵入性病原体IgA产生的增加，这是CX3CR1high吞噬细胞依赖CCR7向MLNs迁移引起的。除了限制细菌的传播外，结肠中巨噬细胞产生组成型IL-10还需要TLR介导的微生物识别。益生菌丁酸梭菌通过TLR2 / MyD88信号通路促进CD11b + CD11cintermediate F4 / 80 +肠巨噬细胞产生IL-10，预防DSS诱发的结肠炎。
TLR5表达的CD11chigh树突状细胞位于肠固有层，在入侵病原体的鞭毛蛋白作用下产生大量促炎细胞因子。此外，肠DCs上的TLR5参与它们从肠固有层向MLNs的迁移。在TLR5缺乏的小鼠中，鼠伤寒链球菌从肠道向MLNs的转运受到损害，这些小鼠对鼠伤寒链球菌感染具有耐药性，表明在系统性鼠伤寒链球菌感染期间，肠道DC中鞭毛蛋白介导的TLR5信号激活被利用。伤寒沙门氏菌的鞭毛蛋白易位到肠道吞噬细胞中，通过激活NLRC4炎性小体促进caspase-1介导的IL-1β分泌。此外，NLRC4 / caspase-1途径诱导吞噬鼠伤寒沙门氏菌的吞噬细胞发生热解。在这种情况下，从促凋亡吞噬细胞释放的鼠伤寒沙门氏菌被嗜中性粒细胞衍生的ROS杀死。
淋巴组织诱导（LTi）细胞通过独立于T细胞的机制支持IgA合成。LTi细胞通过LTβ激活基质细胞促进次级淋巴组织生成。同时，TLR介导的间质细胞对共生细菌的识别引起巨噬细胞和DC的募集和激活，导致TGF-β介导的IgA类别转换的诱导。固有层和Peyer斑块中表达TLR5的DC通过产生视黄酸，IL-6和IL-5，驱动未成熟B细胞分化为分泌IgA的细胞。来自产生TNF-α和产生iNOS的DC的iNOS诱导B细胞上TGF-β受体表达，并引起依赖T细胞的IgA类别转换重组。另一方面，iNOS通过诱导DC中TNF家族的增殖诱导配体（APRIL）和B细胞激活因子（BAFF）的表达启动T细胞非依赖性IgA分泌。除Tip DC外，pDC还可响应基质细胞产生的I型干扰素而产生APRIL和BAFF，引起独立于T细胞的IgA类别转换。
B细胞通过TLR / MyD88信号传导产生的IgM增强上皮完整性，防止DSS诱导的与肠道细菌向肝和肺易位相关的结肠损伤。T细胞中Stat3的微生物依赖性激活促进CD4 + T细胞的增殖和Th17细胞的分化，从而诱发严重的肠道病理。CD4 + CD45RBlow CD25 + Treg表达TLR2 / 4/5/7/8。用TLR4配体LPS刺激CD4 + CD25 + Treg可加速其增殖并增强其免疫抑制活性。Pam3CSK4通过TLR2增强CD4 + CD25 + Treg的增殖。与TLR2对Tregs的上述作用相反，TLR2介导的CD4 + CD25 + Tregs抑制活性的暂时抑制通过诱导效应T细胞增殖，增强对入侵病原体（包括白色念珠菌）的防御反应。
TLR2通路还与脆弱拟杆菌(Bacteroides fragilis)的作用有关，脆弱拟杆菌是结肠的共生菌。B. fragilis通过产生被称为GSL-Bf717的鞘糖脂破坏iNKT细胞增殖，并产生荚膜多糖A (PSA)，这是一种具有免疫致敏特性的共生因子，可以治愈肠道炎症和大肠杆菌相关的结肠直肠癌。PSA直接作用于TLR2，并通过驱动DCs的TLR2依赖性激活维持Th1/Th2免疫应答的平衡。在pDC中，PSA诱导的TLR2信号通路上调MHC II类和共刺激分子（包括CD86和ICOSL）的表达，诱导产生IL-10的CD4 + T细胞的产生。在T细胞中，PSA也直接作用于TLR2。通过TLR2, PSA和CD4+ T细胞之间的相互作用产生产生IL-10的Foxp3+ treg，通过抑制Th17反应促进B. fragilis 定植。除TLR2外，PSA还作用于CD11c + DC中的NOD2，并随后促进产生IL-10的Foxp3 + Treg增殖。
益生菌短双歧杆菌Yakult菌株在结肠中促进产生IL-10的Foxp3-CD4 + T细胞（1型调节性T（Tr1）细胞）的积累。这些细胞响应CD103 + DC通过TLR2 / MyD88信号通路产生的IL-10 / IL-27表达cMaf，IL-21和Ahr。此外，益生菌唾液乳杆菌Ls33和鼠李糖乳杆菌Lr32通过TLR2和NOD2依赖性方式诱导生产吲哚胺2,3-二加氧酶（IDO）的DC促进CD4 + CD25 + Treg分化。
综上所述，这些发现表明先天免疫细胞和适应性免疫细胞本质上暴露于肠道细菌产生的各种代谢物及其在肠道中的组成部分。这种暴露对于诱导肠道稳态免疫耐受和区分共生菌和致病菌的炎症反应至关重要。
图3.共生菌群指导宿主免疫系统
3.2 肠道免疫细胞对肠道菌群的调节
肠道菌群是影响宿主免疫系统的重要因素。因此，肠道菌群的破坏与包括IBD在内的几种免疫疾病有关。另一方面，肠道免疫细胞直接或间接控制微生物群落。因此，健康的微生物群落和宿主的终生健康都需要肠道免疫和微生物群之间的充分相互作用（图4）。
几个先天免疫细胞通过IL-23 / IL-23R途径产生细胞因子IL-22。IL-22促进上皮细胞表达抗菌肽。IL-22缺失会导致结肠微生物群组成改变，导致对DSS诱发的结肠炎高度敏感。DCs产生的IL-22通过诱导上皮细胞分泌Reg3家族蛋白，在感染的早期阶段具有预防啮齿类念珠菌感染的作用。相比之下，IL-22诱导的抗菌肽可通过减少共生肠杆菌科细菌的数量促进沙门氏菌的异常繁殖。
在体内动态平衡期间，ILC3是肠道中IL-22的有效产生者。在小肠中，鞭毛蛋白诱导CD103 + CD11b + DC产生IL-23对于ILC产生IL-22以及随后的上皮细胞产生Reg3γ至关重要。缺乏产生IL-22的ILC引起IECs抗菌肽表达降低，导致Alcaligenes（一种淋巴驻留的共生细菌）发生外周移位。在克罗恩病患者中，产碱杆菌特异性IgG的血清浓度高于健康志愿者。在肠粘膜中，ILC3s产生的IL-22抑制SFB的繁殖，该SFB会诱导Th17细胞，预防Th17介导的肠道炎症。ILC3衍生的IL-22和淋巴毒素α（LTα）促进小肠上皮细胞中共生细菌依赖性Fut2的表达，而产生IL-10的CD4 + T细胞下调上皮岩藻糖基化。带有岩藻糖苷酶的肠道微生物可以从岩藻糖基化的上皮细胞中裂解岩藻糖。反过来，岩藻糖被肠道微生物用作能量来源并影响其代谢。此外，共生细菌产生的岩藻糖还可以通过降低细菌毒力因子的表达，作为针对病原体（包括鼠疫杆菌和鼠伤寒沙门氏菌）的宿主防御机制。
上皮内淋巴细胞(IELs)分布于结肠和小肠的上皮细胞层，分为两个亚群:A型IEL（CD8αβ+TCRαβ+和CD4 +TCRαβ+）和B型IEL（CD8αα+TCRαβ+和CD8αα+TCRγδ+）。CD8αβ+TCRαβ+ A型IEL对轮状病毒，弓形虫和兰氏贾第鞭毛虫等侵入性微生物具有保护作用。双歧杆菌通过TLR途径依赖性机制促进小肠中CD8αβ+TCRαβ+ IEL的积累。与脾脏CD8αβ+ T细胞不同，小肠CD8αβ+TCRαβ+ IEL响应上皮细胞衍生的IL-15高度表达抗菌因子，包括Defa1，Lypd8和Reg3g，直接抑制细菌生长。DSS给药后，结肠中的TCRγδ+ B型IEL产生促炎性细胞因子和趋化因子，限制共生细菌向MLN的散播。上皮细胞固有的MyD88信号通过代谢调节促进TCRγδ+ IEL反应，抑制病菌和病原微生物渗透到固有层中。此外，DC通过NOD2介导的微生物识别通过IL-15产生维持B型IEL稳态。
DC和IEC表达的MHC类I类分子CD1d将糖脂抗原呈递给NKT细胞。缺乏Cd1d的小鼠口服管理后，在小肠近端的共生菌（包括大肠杆菌，金黄色葡萄球菌和加氏乳杆菌）的定植增强。Paneth细胞产生的抗菌肽在大肠杆菌定殖的Cd1d缺陷型无菌小鼠中明显减少，这与它们向MLN的散播有关。此外，在稳态下，cd1d缺陷小鼠的粪便微生物群落发生改变，拟杆菌门频率增加，厚壁菌门频率降低，表明cd1d介导的NKT细胞活化对于调节共生细菌的定植、组成和易位至关重要。MHC相关蛋白1（MR1）限制的NKT细胞，称为粘膜相关不变T（MAIT）细胞，在血液，肺，肝和肠中大量存在，并且在无菌小鼠中不存在。MR1结合细菌和真菌产生的核黄素（维生素B）生物合成前体衍生物，但不结合病毒和哺乳动物细胞。MAIT细胞有助于防止脓肿分枝杆菌或大肠杆菌感染，但对某些无法合成核黄素的细菌无反应。表明由细菌产生的核黄素代谢产物激活MAIT细胞是宿主抵抗细菌的防御的必要条件。
IgA是肠道内最丰富的抗体亚型。通过上皮细胞上的多聚免疫球蛋白受体(pIgR)运输，然后以分泌型IgA (SIgA)的形式释放到肠腔内。在稳定状态下，SIgA对于肠道菌群的动态平衡至关重要。B细胞缺陷小鼠的血清LPS浓度高于正常小鼠，其微生物组组成部分发生改变。缺少IgA类别转换的AID(激活诱导胞苷脱氨酶)缺陷小鼠的小肠中SFB和厌氧菌大量生长。同样，在AIDG23S突变小鼠中，也观察到细菌在小肠内的大量繁殖以及感染细菌迁移进入MLNs，AIDG23S突变小鼠的体细胞突变缺陷导致其产生的IgA具有较低的细菌结合活性。SIgA在患有炎症小体介导的营养不良的小鼠中强烈包被致病菌，包括普雷沃氏菌科，幽门螺杆菌和SFB。与未包被IgA的细菌相比，来自IBD患者的被IgA包被的细菌（包括某些脆弱的B. Bilgilis菌株）渗入了致生菌小鼠的粘液层，并加剧DSS诱导的肠道炎症。
在Peyer斑块中，高表达抑制性共受体编程性细胞死亡1（PD-1）的滤泡辅助性T（Tfh）细胞通过选择生发中心的B细胞促进足够的IgA反应。小鼠中PD-1缺乏导致肠道微生物群落组成改变，IgA包被细菌的频率降低。在这种小鼠中，IgA的组成变化，并且IgA对细菌的亲和力降低。因此，通过Peyer斑块中Tfh细胞和B细胞之间的相互作用进行的PD-1信号传导对于小肠中IgA介导的微生物组稳态至关重要。除Peyer斑块外，在盲肠斑块（阑尾的淋巴组织）中也产生结肠IgA产生细胞。盲肠贴片中的DC可以增强CCR10在B细胞上的表达，有助于将产生IgA的细胞迁移到结肠中。总之，肠道菌群通过细菌代谢产物和成分调节宿主的防御和耐受能力，指导功能性免疫系统。相反，肠道免疫反应可精确控制微生物的生态，多样性和运输。营养不良和免疫功能异常均与肠道炎症的发病机理有关。因此，需要维持宿主免疫细胞和共生细菌之间的可持续共生关系，维持肠道的动态平衡。
图4.宿主免疫细胞形成肠道微生物群
4.未来的发展方向
超过40万亿个微生物栖息在肠道中，通过表达大约700,000个基因产生多种生物活性代谢物。这些微生物代谢产物通过调节免疫系统和代谢直接影响宿主健康。已开始将肠道微生物群视为人体的器官之一，产生营养物质和生理活性物质维持宿主健康。最近的大量研究表明，营养不良（即肠道菌群失调）与多种疾病的发病机理有关，包括IBD，过敏性疾病，代谢性疾病，神经性疾病等。
营养不良不仅由某些习惯引起，例如过量的高脂饮食和抗菌药物，还由肠道粘膜免疫系统功能障碍引起。最近的一份报告表明，连接骨髓细胞和IECs的IL-23/IL-22通路的缺失，增加产生三甲胺氧化物(TMAO)的特定肠道微生物的种类，加剧高脂肪饮食导致的动脉粥样硬化。如本综述所述，肠道免疫功能障碍可能通过诱导营养不良而潜在地促进系统性疾病，暗示未知的系统疾病病因可能与肠道菌群和宿主免疫所控制的肠道生态系统有关。因此，阐明肠道生态系统的机制并分析因肠道生态系统倾斜引起的生物学反应可能会阐明系统性疾病的发病机理。
你可能还喜欢