人体肠道微生物不断地将来自宿主和饮食的天然产物转化为许多生物活性代谢物。膳食脂肪是必需的微量营养素，经过脂肪分解，释放游离脂肪（fatty acids, FAs）供小肠吸收。肠道共生菌将一些不饱和脂肪酸（如亚油酸）修饰成各种肠道脂肪酸异构体，这些异构体调节宿主代谢并具有抗癌特性。然而，人们对这种情况的脂肪酸异构化如何影响宿主的粘膜免疫系统知之甚少。

 

近日，中科院分子细胞科学卓越创新中心黏膜免疫领域青年学者宋昕阳研究员与美国哈佛医学院Dennis L. Kasper院士合作在国际顶级期刊Nature上发表了题为“Gut microbial fatty acid isomerization modulates intraepithelial T cells”的研究论文。他们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，CLAs）。CLAs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。而这种级联反应被阻断后，小鼠更容易被常见的食源性病原体鼠伤寒沙门氏菌所感染。

 

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肠道FAs诱导CD4⁺CD8αα⁺ IELs

 

该研究发现，CD4⁺CD8αα⁺ IELs主要存在于无特定病原体(SPF)小鼠而不是无菌(GF)小鼠的小肠上皮内。因此，作者认为寄生于小肠的细菌通过修饰宿主饮食中的代谢产物来促进CD4⁺CD8αα⁺ IELs的诱导。随后，他们比较不同营养饮食的SPF小鼠肠道组织，发现营养丰富饮食的SPF小鼠CD4⁺CD8αα⁺ IELs水平显著高于最低限度营养饮食的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，由宿主或其共生微生物修饰的饮食来源的分子，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。在确定胆汁酸（BA）本身和BA信号级联不能调节小鼠小肠中CD4⁺CD8αα⁺ IELs水平后，他们最终将注意力集中在各种脂肪酸上。令人惊喜的是，在给与小鼠喂食特定脂肪酸后，他们发现，在食用亚油酸（LA）的小鼠小肠中出现了CD4⁺CD8αα⁺ IELs细胞。

图1  肠道长链脂肪酸（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、瘤胃球菌和毛螺菌，可以通过亚油酸异构酶（LAIs）将LA转化为CLAs。研究者发现摄入最低限度饮食小鼠的回肠中能够产生CLAs的菌群丰度降低，随后进一步确定饮食和微生物群对肠道中CLAs水平的影响，并发现细菌生物转化过程对肠道CLAs的产生至关重要。因此，他们推测携带LAI基因的肠道细菌可能是小肠中CD4⁺CD8αα⁺ IELs的诱导者。

 

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，作者选择两种CD4⁺CD8αα⁺ IELs诱导株:粪肠球菌MMH594和粪肠球菌OG1RF进行探究。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， LAI阳性共生菌编码的LA代谢途径是诱导小鼠小肠CD4⁺CD8αα⁺ IELs所必需的。

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

 

先前的研究表明，饮食中的脂肪酸可以被微生物代谢修饰，产生的CLAs显示出宿主的免疫调节特性。因此，作者探索了宿主如何识别微生物CLA信号来维持回肠CD4⁺CD8αα⁺ IELs的动态平衡。转录组分析显示，表达CD8α的无特定病原体小鼠回肠IELs，具有不同于CD4⁺CD8αα⁺ IELs、TCRβ⁺CD8αβ⁺以及TCRβ⁺CD8αα⁺ IELs的基因表达模式。虽然三个IEL群体都表达与CD8⁺ T细胞毒性T淋巴细胞程序相关的基因（如Gzma、Gzmb、Prf1和Crtam），但CD4⁺CD8αα⁺ IELs保留了许多由CD4⁺ 细胞谱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非常重要。

 

研究团队继续探究发现，CD4⁺CD8αα⁺ IELs选择性表达两种核受体: HNF4α和HNF4γ。这两种受体是肠道上皮细胞脂肪酸代谢的关键调节因子。对两种FA相关核受体在小鼠组织中的表达比较表明，HNF4α 在整个胃肠道高表达，而HNF4γ主要在小肠中表达。接下来，他们将Hnf4a ^flox/flox 小鼠与CD4-CRE驱动程序杂交，产生CD4⁺T细胞特异性Hnf4a基因敲除小鼠。结果发现，CD4⁺T细胞中HNF4α的缺失并不影响回肠 CD4⁺CD8αα⁺ 细胞或其他IEL的水平。

 

接下来，他们探索了HNF4γ是否通过过继形式将Hnf4g充足的或缺乏Hnf4g的初始CD 4⁺T细胞转移到Tcrb基因敲除小鼠体内来调节CD 4⁺T淋巴细胞内的CD4⁺CD8αα⁺ IELs。转移Hnf4g缺乏的原始CD 4⁺ T细胞的小鼠回肠CD4⁺CD8αα⁺ IEL表型与缺乏Hnf4g的小鼠或喂食少量食物的小鼠相似。这一结果表明，HNF4γ对回肠CD4⁺CD8αα⁺ IELs具有内在的调节作用。

 

多种LCFA可以结合并激活HNF4因子。体外蛋白质-脂质相互作用分析表明，HNF4γ与CLAs具有很强的结合能力。为确定肠道CLAs是否通过HNF4γ调节回肠CD4⁺CD8αα⁺ IELs，研究者用六种CA、CDCA、UDCA、TCA、TCDCA和TUDCA胆汁酸混合乳化的CLAs治疗Hnf4g缺陷小鼠，发现CLA-BA混合物能够恢复低营养饮食的Hnf4g窝鼠的CD4⁺CD8αα⁺ IELs的回肠频率；而单独补充CLA无法恢复Hnf4g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

 

研究者进一步探究CLA-HNF4γ轴调节CD4⁺CD8αα⁺ IELs的机制。转录组比较表明，三个表达CD8α 的TCRβ⁺ IEL亚群的CD4⁺CD8αα⁺ IELs对IL13ra1和IL18r1基因的表达水平增高。然而，在IL18基因缺陷的小鼠中，回肠CD4⁺CD8αα⁺ IELs水平显著降低，这表明IL-18信号在控制这种IEL群体中具有潜在的作用。虽然HNF4γ缺乏或在最低限度饮食的情况下饮食并不影响回肠IL-18水平，但HNF4γ可以与回肠CD4⁺ IELs中IL18r1基因(编码IL-18受体1(IL-18R1))的转录起始位点(TSS)结合。此外，他们还发现以最低限度的饮食喂养会导致CD4⁺ IEL表面IL-18R1表达受损。

 

随后，他们发现在喂养最低饮食的小鼠中，通过补充CLA恢复CD4⁺ IELs中IL-18R1的水平取决于HNF4γ。这一结果表明，CLA-HNF4γ轴在控制CD4⁺ IELs中IL18r1介导的信号传导中起关键作用。进一步实验发现在IL18缺陷小鼠和IL18r1缺陷小鼠的CD4⁺ IELs中ThPOK⁺细胞数量增加，而在这些小鼠回肠中的其他TCRβ⁺ IELs保持完好。因此，肠道CLAs激活HNF4γ促进IL-18R1在CD4⁺ IEL中的表达，而IL-18又通过其受体信号下调ThPOK，从而促进CD4⁺CD8αα⁺ IELs的分化。

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

 

CD4⁺CD8αα⁺ IELs已被报道可维持肠道内环境。因此，研究者在鼠伤寒沙门氏菌(Salmonella typhimurium，STm)感染模型中，探究了ClA-HNF4γ级联反应是否调节肠道炎症反应。在给与CLA和BA的情况下补充CLAs，他们发现可以恢复饲喂最低饮食的小鼠回肠CD4⁺CD8αα⁺ IELs。此外，添加CLA最低限度饮食的小鼠与喂养营养丰富饮食的小鼠对STm感染的抵抗力相同，而只喂食最低限度饮食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以及更多细菌传播到非肠道器官等不良症状。实验结果正如研究者预期的一样，CD4⁺ T细胞中的HNF4α 信号在STm感染的控制中是必不可少的。同时，Hnf4g基因缺陷的小鼠比它们的同窝小鼠更容易感染STm，并且CD4⁺ T细胞中的HNF4γ 信号在STm感染中也显示了保护作用。

图5   CLA-HNF4γ轴控制肠粘膜感染

 

小肠是寄主吸收养分的主要部位，肠道共生菌通过将膳食FA生物转化为FA异构体来促进宿主新陈代谢。该研究表明，肠道CLAs是通过HNF4γ介导的IL-18受体信号来维持健康的CD4⁺CD8αα⁺ IELs池，揭示了宿主如何将微生物衍生的营养信号结合到其粘膜界面的一线防御系统中。

 

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参考文献

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

文章链接：https://www.absin.cn/literature/5929.html 

 

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