動物按照一定的晝夜節律周期活動，進食周期使得動物有節律地暴露于食源性病原體。因此，動物的腸道先天免疫可能表現出晝夜節律，以抵抗隨食物侵入宿主體內的病原物。目前對于微生物如何通過生物鐘來調節腸道先天免疫還知之甚少。 2021年8月，來自美國德克薩斯大學西南醫學中心的Lora V. Hooper研究團隊在Cell （IF= 38.621）上發表題為《The microbiota coordinates diurnal rhythms in innate immunity with the circadian clock》的文章，該研究整合免疫學和微生物組技術探討先天免疫周期調控的分子機制。該研究發現腸道菌群和生物鐘協同產生腸道先天免疫的晝夜節律，動物的節律性進食促進在腸道表面分節絲狀菌(segmented filamentous bacteria，SFB)周期性附著，并驅動上皮細胞STAT3周期性表達和激活，從而促進上皮細胞節律性分泌抗菌蛋白(antimicrobial proteins，AMPs)。 【研究材料】 ● CV小鼠，conventional，普通小鼠 ● GF小鼠，germ-free，無菌小鼠 ● Tac小鼠，從Taconic Farms公司獲得的小鼠，腸道中含有SFB菌； ● Jax小鼠，從Jackson實驗室獲得的小鼠，腸道中不含SFB菌； ● 其他基因敲除小鼠。 【技術方法】 16S rDNA測序+細胞因子檢測 ?? 步驟1：分析腸道菌群對免疫蛋白節律性表達的影響 ?? 步驟2：電鏡分析鎖定腸上皮細胞附著的關鍵菌SFB ?? 步驟3：遺傳學實驗與細胞因子檢測發現SFB菌通過ILC3-STAT3信號軸調控免疫節律 ?? 步驟4：16S測序證實生物鐘通過進食節律驅動腸道先天免疫節律形成 ?? 步驟5：SFB菌相關的免疫節律調控小鼠對沙門氏菌耐受性 1. 抗菌蛋白表達的免疫晝夜節律取決于腸道菌群 研究者通過分析腸上皮細胞抗菌蛋白表達情況，發現普通小鼠（CV）存在免疫節律而無菌小鼠（GF）沒有免疫節律。研究者分析了抗菌蛋白REG3G的表達，該蛋白由小腸上皮分泌，能夠殺死革蘭氏陽性菌、抑制黏液層的細菌定植。結果表明，普通小鼠Reg3g基因及其編碼蛋白REG3G的表達具有顯著晝夜節律性，而無菌小鼠則始終在較低的表達水平，無節律性。其他抗菌蛋白LCN2、S100A8等也有類似情況，在普通小鼠中表現出節律性，而在無菌小鼠中失去了節律表達特征。總之，抗菌蛋白的節律性表達依賴于腸道菌群的存在。 圖1 抗菌蛋白晝夜表達特征 2. 分節絲狀菌（SFB）周期性黏附驅動上皮細胞抗菌蛋白節律性表達 為了發現驅動抗菌蛋白節律性表達的微生物，研究者通過掃描電鏡觀察了小鼠小腸，結果發現上皮細胞大量附著有一類呈節段的絲狀菌，這是分節絲狀菌（SFB）的獨特形態。比較發現，含有SFB菌的小鼠表現出REG3G抗菌蛋白節律性表達，而不含SFB菌的小鼠則無此特征。將SFB菌接種到無菌小鼠后，也能促進小鼠節律性表達該抗菌蛋白。以上結果表明是分節絲狀菌驅動了上皮細胞節律性表達抗菌蛋白REG3G。 圖2 分節絲狀菌刺激抗菌蛋白節律性表達 3. SFB菌通過ILC3-STAT3信號軸調控REG3G的節律性表達 為了探究SFB菌驅動REG3G節律性表達的調控信號軸，研究者選取了多個已報道的REG3G上游調控基因，觀察敲除后對REG3G表達節律的影響。結果表明，REG3G的表達與多種免疫細胞有關，通過對細胞因子Elisa檢測發現CD11c+髓樣細胞通過TLR受體-MYD88信號軸感知免疫原并啟動白介素IL-23，之后IL-23激活先天淋巴樣細胞(ILC3)并合成白介素IL-22，IL-22最后激活腸上皮細胞STAT3并啟動REG3G合成。此外IL-23和IL-22也存在節律性的變化。這些結果進一步明確了ILC3-STAT3信號軸對REG3G節律性表達調控作用。 圖3 MYD88、STAT3對REG3G節律性表達的影響 4. 生物鐘通過進食節律驅動腸道先天免疫節律形成 生物鐘是如何調控STAT3和REG3G表達對SFB菌的響應呢？作者敲除小鼠生物鐘組分發現，REG3G表達并不受生物鐘轉錄因子REV-ERBα的調控，而受到BMAL1/CLOCK的調控。ClockΔ19/Δ19突變小鼠的自由采食變得沒有節律，結果導致SFB菌引起的節律性響應也顯著減弱。研究者將ClockΔ19/Δ19突變小鼠限制進食，形成白天或夜間規律進食，這促使SFB菌重新形成節律，且SFB菌附著高峰總是形成在進食后，促進REG3G和pSTAT3重新形成表達節律。隨后研究者將該批小鼠禁食一天，這導致SFB菌附著數量顯著降低，16S rRNA測序分析也證實SFB菌拷貝數降低，REG3G和pSTAT3節律隨之消失。以上結果表明，生物鐘能夠調節小鼠規律進食，從而促進SFB菌節律性附著到腸上皮，進而驅動STAT3、pSTAT3和REG3G表達節律形成。 圖4 進食節律與免疫蛋白REG3G的表達調控 5. SFB菌相關的免疫節律調控小鼠對沙門氏菌耐受性的周期變化 以上對腸道先天免疫晝夜節律的研究表明，宿主對病原物感染的抵抗力可能隨晝夜周期而變化。為了驗證這一點，研究者分析了小鼠在不同時間點感染鼠傷寒沙門氏菌的免疫差異。首先分析具有免疫節律的SFB+小鼠感染鼠傷寒沙門氏菌的情況，在ZT12時間點接種后的病菌載量顯著高于ZT0時接種后的載量，ZT12時間點的致死率高于ZT0時間點的接種小鼠。而SFB-小鼠則未表現出免疫節律，對沙門氏菌的感染未出現差異。這表明腸道先天免疫節律使得小鼠對沙門氏菌感染的免疫力也出現節律性變化。 圖5 小鼠對沙門氏菌感染耐受性的周期變化 小編小結 環境中的光循環會影響動物的晝夜節律進食行為，使得動物暴露與食源性病原菌，因此動物需要一種機制來應對這一挑戰。該研究結合免疫學、遺傳學、微生物組等方法和技術，探討了生物鐘調控腸道中先天免疫的節律性應答機制。該研究發現，動物的節律性進食促進SFB菌在腸道上皮細胞的周期性附著，并激活ILC3-STAT3信號軸周期性振蕩，觸發上皮細胞節律性合成和分泌抗菌蛋白，形成腸先天免疫的節律性。本研究發現宿主進食節律與微生物群周期的關系，證實了生物鐘促進腸道先天免疫節律形成的分子機制，研究成果為深入探究免疫晝夜節律的調控機制提供新的視角。
實驗路線圖
研究結果
腸道微生物也會打卡上下班 | Cell 揭示腸道免疫的晝夜節律調控機制
作者：上海中科新生命生物科技有限公司 2021-12-23T18:39 (訪問量:4738)
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