人體腸道菌群源源不斷地將來(lái)自宿主和飲食的天然產(chǎn)物轉(zhuǎn)化為生物活性代謝物。膳食脂肪是必需的微量營(yíng)養(yǎng)素，經(jīng)過(guò)脂肪分解，釋放游離脂肪（fatty acids, FAs）供小腸吸收。腸道共生菌將一些不飽和脂肪酸（如亞油酸）修飾成各種腸道脂肪酸異構(gòu)體，這些異構(gòu)體調(diào)節(jié)宿主代謝并具有抗癌特性。然而，人們對(duì)這種飲食—微生物脂肪酸異構(gòu)化如何影響宿主的粘膜免疫系統(tǒng)知之甚少。

近日，中科院分子細(xì)胞科學(xué)創(chuàng)新中心宋昕陽(yáng)與美國(guó)哈佛醫(yī)學(xué)院Dennis L. Kasper院士共同通訊在Nature（IF=64.8）上發(fā)表了題為“Gut microbial fatty acid isomerization modulates intraepithelial T cells"的研究論文。他們發(fā)現(xiàn)腸道微生物以亞油酸（Linoleic Acid, LA）等常見(jiàn)脂肪酸為食，并將其轉(zhuǎn)化為共軛亞油酸（亞油酸的同分異構(gòu)體，CLAs）。CLAs作為生物級(jí)聯(lián)反應(yīng)的信號(hào)，最終刺激一種特定類型的免疫細(xì)胞亞群CD4⁺CD8αα⁺上皮內(nèi)淋巴細(xì)胞（CD4⁺CD8αα⁺ IELs）的發(fā)育并駐留在小腸中。而這種級(jí)聯(lián)反應(yīng)被阻斷后，小鼠更容易被常見(jiàn)的食源性病原體鼠傷寒沙門氏菌所感染。

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腸道FAs誘導(dǎo)CD4⁺CD8αα⁺ IELs

該研究發(fā)現(xiàn)，CD4⁺CD8αα⁺ IELs主要存在于無(wú)特定病原體（SPF）小鼠而不是無(wú)菌（GF）小鼠的小腸上皮內(nèi)。因此，作者認(rèn)為寄生于小腸的細(xì)菌通過(guò)修飾宿主飲食中的代謝產(chǎn)物來(lái)促進(jìn)CD4⁺CD8αα⁺ IELs的誘導(dǎo)。隨后，他們比較不同營(yíng)養(yǎng)飲食的SPF小鼠腸道組織，發(fā)現(xiàn)營(yíng)養(yǎng)豐富飲食的SPF小鼠CD4⁺CD8αα⁺ IELs水平顯著高于較低限度營(yíng)養(yǎng)飲食的SPF小鼠，飼糧對(duì)CD4⁺CD8αα⁺ IELs水平的影響僅限于小腸（十二指腸、空腸和回腸），在盲腸和結(jié)腸中未觀察到。這表明，由宿主或其共生微生物修飾的飲食來(lái)源的分子，可能對(duì)小腸中CD4⁺CD8αα⁺ IELs的誘導(dǎo)至關(guān)重要。

接下來(lái)，作者試圖確定飲食和腸道因素是否負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)小腸中CD4⁺CD8αα⁺ IELs水平。在確定膽汁酸（BA）本身和BA信號(hào)級(jí)聯(lián)不能調(diào)節(jié)小鼠小腸中CD4⁺CD8αα⁺ IELs水平后，他們最終將注意力集中在各種脂肪酸上。令人驚喜的是，在給與小鼠喂食特定脂肪酸后，他們發(fā)現(xiàn)，在食用亞油酸（LA）的小鼠小腸中出現(xiàn)了CD4⁺CD8αα⁺ IELs細(xì)胞。

圖1  腸道長(zhǎng)鏈脂肪酸（LCFA）代謝物對(duì)上皮內(nèi)CD4⁺CD8αα⁺ 細(xì)胞的維持至關(guān)重要

微生物是LA異構(gòu)化的必要條件

一些腸道細(xì)菌，如腸球菌、乳桿菌、雙歧桿菌、瘤胃球菌和毛螺菌，可以通過(guò)亞油酸異構(gòu)酶（LAIs）將LA轉(zhuǎn)化為CLAs。研究者發(fā)現(xiàn)攝入較低限度飲食小鼠的回腸中能夠產(chǎn)生CLAs的菌群豐度降低，隨后進(jìn)一步確定飲食和微生物群對(duì)腸道中CLAs水平的影響，并發(fā)現(xiàn)細(xì)菌生物轉(zhuǎn)化過(guò)程對(duì)腸道CLAs的產(chǎn)生至關(guān)重要。因此，他們推測(cè)攜帶LAI基因的腸道細(xì)菌可能是小腸中CD4⁺CD8αα⁺ IELs的誘導(dǎo)者。

為了進(jìn)一步確定LAI基因陽(yáng)性細(xì)菌中的LCFA異構(gòu)化途徑是否參與回腸CD4⁺CD8αα⁺ IELs的誘導(dǎo)，作者選擇兩種CD4⁺CD8αα⁺ IELs誘導(dǎo)株:糞腸球菌MMH594和糞腸球菌OG1RF進(jìn)行探究。在失去將LA轉(zhuǎn)化為CLAs的能力后，這些糞腸球菌菌株無(wú)法誘導(dǎo)回腸產(chǎn)生CD4⁺CD8αα⁺ IELs。這表明， LAI陽(yáng)性共生菌編碼的LA代謝途徑是誘導(dǎo)小鼠小腸CD4⁺CD8αα⁺ IELs所必需的。

圖2  腸道細(xì)菌通過(guò)LCFA異構(gòu)化途徑控制上皮CD4⁺CD8αα⁺細(xì)胞

CLAs通過(guò)HNF4γ誘導(dǎo)CD4⁺CD8αα⁺ IELs

飲食中的LA可以被微生物代謝修飾，其產(chǎn)物CLAs具有宿主免疫調(diào)節(jié)特性。因此，作者進(jìn)一步探究宿主如何識(shí)別微生物CLA信號(hào)來(lái)維持回腸CD4⁺CD8αα⁺ IELs穩(wěn)態(tài)。表達(dá)CD8α的SPF小鼠回腸IELs 轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析顯示，CD4⁺CD8αα⁺ IELs、TCRβ⁺CD8αβ⁺以及TCRβ⁺CD8αα⁺ IELs的基因表達(dá)模式明顯不同。盡管所有三個(gè)IEL群體都表達(dá)了與CD8⁺ T細(xì)胞中細(xì)胞毒性T淋巴細(xì)胞程序相關(guān)的基因，但CD4⁺CD8αα⁺ IELs保留了許多由CD4⁺細(xì)胞系編碼的細(xì)胞因子的基本表達(dá)，這些細(xì)胞因子（例如IL10、IL17a、IL17f和IL22）對(duì)維持腸道屏障功能非常重要。

進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)CD4⁺CD8αα⁺ IELs選擇性地表達(dá)兩種核受體: HNF4α和HNF4γ，這兩種受體是腸道上皮細(xì)胞dFA代謝的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子。其中HNF4α在整個(gè)胃腸道中高度表達(dá)，而HNF4γ主要在小腸中表達(dá)。CD4⁺ T細(xì)胞中HNF4α的缺失并不影響回腸CD4⁺CD8αα⁺細(xì)胞或其他IEL對(duì)照物的水平。值得注意的是，TF-ThPOK和受損的CD4譜系水平升高HNF4g缺陷小鼠CD4⁺IELs中CD8αα⁺細(xì)胞頻率。通過(guò)比較HNF4g缺陷小鼠及其對(duì)照組小鼠IECs中免疫信號(hào)相關(guān)基因的表達(dá)，發(fā)現(xiàn)這些免疫基因在Hnf4g缺陷的IECs中沒(méi)有下調(diào)，這表明在Hnf4g缺陷小鼠中存在一種特殊的調(diào)節(jié)IELs的機(jī)制。

接下來(lái)，他們探索了HNF4γ是否通過(guò)過(guò)繼形式將Hnf4g充足的或缺乏Hnf4g的初始CD 4⁺T細(xì)胞轉(zhuǎn)移到Tcrb基因敲除小鼠體內(nèi)來(lái)調(diào)節(jié)CD 4⁺T淋巴細(xì)胞內(nèi)的CD4⁺CD8αα⁺ IELs。轉(zhuǎn)移Hnf4g缺乏的原始CD 4⁺ T細(xì)胞的小鼠回腸CD4⁺CD8αα⁺ IEL表型與缺乏Hnf4g的小鼠或喂食少量食物的小鼠相似。這一結(jié)果表明，HNF4γ對(duì)回腸CD4⁺CD8αα⁺ IELs具有內(nèi)在的調(diào)節(jié)作用。

為確定腸道CLAs是否通過(guò)HNF4γ調(diào)節(jié)回腸CD4⁺CD8αα⁺ IELs，研究者用六種膽汁酸（CA、CDCA、UDCA、TCA、TCDCA和TUDCA）混合乳化的CLAs治療Hnf4g缺陷小鼠，發(fā)現(xiàn)CLA-BA混合物能夠恢復(fù)低營(yíng)養(yǎng)飲食的Hnf4g窩鼠的CD4⁺CD8αα⁺ IELs的回腸頻率；而單獨(dú)補(bǔ)充CLA無(wú)法恢復(fù)Hnf4g缺陷小鼠的回腸CD4⁺CD8αα⁺ IELs水平，這表明微生物CLA - Hnf4γ軸在調(diào)節(jié)這種IEL群體中起著關(guān)鍵作用。

圖3  腸道CLAs通過(guò)HNF4γ調(diào)節(jié)上皮內(nèi)CD4⁺CD8αα⁺細(xì)胞

HNF4γ通過(guò)IL-18受體下調(diào)ThPOK

隨后，研究者進(jìn)一步探究CLA-HNF4γ軸調(diào)節(jié)CD4⁺CD8αα⁺ IELs的機(jī)制。三個(gè)表達(dá)CD8 α的TCRβ⁺ IEL亞群的轉(zhuǎn)錄組比較顯示，CD4⁺CD8αα⁺ IELs高水平表達(dá)IL13ra1和IL18r1。檢測(cè)相應(yīng)細(xì)胞因子缺陷小鼠的回腸CD4⁺CD8αα⁺ IELs水平表明，IL-18信號(hào)傳導(dǎo)在控制這種IEL群體中具有潛在作用。雖然HNF4γ缺乏或低營(yíng)養(yǎng)飲食不會(huì)影響回腸IL-18水平，但HNF4γ可以結(jié)合回腸CD4⁺ IELs中IL18r1位點(diǎn)的轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)（TSS）。

他們還發(fā)現(xiàn)低營(yíng)養(yǎng)飲食導(dǎo)致CD4⁺ IEL表面IL-18R1表達(dá)受損。通過(guò)補(bǔ)充CLA，小鼠CD4⁺ IELs中IL-18R1水平的恢復(fù)依賴于HNF4γ。這表明CLA-HNF4γ軸在控制CD4⁺ IELs中IL18r1介導(dǎo)的信號(hào)傳導(dǎo)中是至關(guān)重要的。進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在IL18缺陷小鼠和IL18r1缺陷小鼠的CD4⁺ IELs中ThPOK⁺種群增加，而在這些小鼠的回腸中其他TCRβ⁺ IELs保持完整。因此，腸道CLAs激活HNF4γ促進(jìn)IL-18R1在CD4⁺ IEL中的表達(dá)，而IL-18反過(guò)來(lái)通過(guò)其受體信號(hào)下調(diào)ThPOK，使CD4⁺CD8αα⁺ IELs分化（圖4）。

圖4 腸道CLA-HNF4γ軸通過(guò)IL-18信號(hào)傳導(dǎo)誘導(dǎo)上皮內(nèi)CD4⁺CD8αα⁺細(xì)胞

CLA-HNF4γ軸調(diào)控腸道感染

CD4⁺CD8αα⁺ IELs已被報(bào)道可維持腸道內(nèi)環(huán)境。因此，研究者分析了CLA-HNF4γ級(jí)聯(lián)是否調(diào)節(jié)鼠傷寒沙門氏菌（Salmonella typhimurium，STm）感染模型中的腸道炎癥反應(yīng)。他們發(fā)現(xiàn)飼料中添加CLA可以恢復(fù)小鼠回腸的CD4⁺CD8αα⁺ IELs。此外，給予CLA⁺低營(yíng)養(yǎng)飲食的小鼠對(duì)STm感染的抵抗力與營(yíng)養(yǎng)豐富飲食的小鼠相同，而單純喂食低營(yíng)養(yǎng)飼糧的小鼠表現(xiàn)出更高的死亡率、嚴(yán)重的上皮破壞、血清炎癥細(xì)胞因子水平增加以及更多細(xì)菌傳播到非腸道器官等不良癥狀。因此，CD4⁺ T細(xì)胞中的HNF4α信號(hào)在STm感染的控制中是少不了的。然而，Hnf4g缺陷小鼠比同窩出生的小鼠更容易感染STm，CD4⁺ T細(xì)胞中的HNF4γ信號(hào)也顯示出對(duì)STm感染的保護(hù)作用，表明干預(yù)CLA-HNF4γ軸可調(diào)控腸道感染程度。

圖5   CLA-HNF4γ軸控制腸粘膜感染

該研究通過(guò)靶向代謝分析結(jié)合體內(nèi)外機(jī)制探索，表明腸道菌群FA衍生物CLAs是通過(guò)HNF4γ介導(dǎo)的IL-18受體信號(hào)傳導(dǎo)維持健康的CD4⁺CD8αα⁺ IELs池的重要分子因子，提出了一種膳食-微生物-宿主的三重互作信號(hào)網(wǎng)絡(luò)調(diào)控機(jī)體黏膜穩(wěn)態(tài)與抗感染免疫的新型功能機(jī)制。

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

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