人體腸道微生物群源源不斷地將來自宿主和飲食的天然產物轉化為生物活性代謝物。腸道免疫具有高度組織區域化的特征，小腸是機體消化吸收膳食營養物質的主要場所，膳食脂肪可經脂解作用形成游離脂肪酸并被機體作為必須微量營養元素所吸收。而腸道共生菌將一些長鏈不飽和脂肪酸（如亞油酸）修飾成各種脂肪酸異構體，這些異構體調節宿主代謝并具有抗癌特性。然而，目前對這種飲食-微生物FA異構化網絡如何影響宿主的粘膜免疫系統仍缺乏深入研究。
2023年6月，中科院分子細胞科學卓越創新中心宋昕陽研究員與腸道菌群研究先驅、美國哈佛醫學院Dennis L. Kasper院士共同通訊在Nature（IF=64.8）上發表了題為“Gut microbial fatty acid isomerization modulates intraepithelial T cells”的研究論文，發現腸道微生物以亞油酸（Linoleic Acid, LA）等常見脂肪酸為食，并將其轉化為共軛亞油酸（亞油酸的同分異構體，CLA）。這種副產物作為生物級聯反應的信號，最終刺激一種特定類型的免疫細胞亞群CD4+CD8αα+上皮內淋巴細胞（CD4+CD8αα+?IELs）的發育并駐留在小腸中。這種級聯反應被打斷的小鼠更容易被一種常見的食源性病原體——鼠傷寒沙門氏菌所感染。（麥特繪譜提供長鏈脂肪酸靶向定量檢測分析服務）
腸道FAs誘導CD4+CD8αα+?IELs
研究發現，CD4+CD8αα+?IELs主要存在于無特定病原體(SPF)小鼠而非無菌(GF)小鼠的小腸上皮內區域，因此作者推測小腸內細菌通過改變來自宿主飲食的代謝物來促進CD4+CD8αα+?IELs的誘導。比較不同飼糧喂養SPF小鼠腸道組織，發現飼喂營養豐富糧食的SPF小鼠的CD4+CD8αα+?IELs水平顯著高于基本營養飲食的SPF小鼠，飼糧對CD4+CD8αα+?IELs水平的影響僅限于小腸（十二指腸、空腸和回腸），在盲腸和結腸中未觀察到。這表明，飲食來源的分子，或由宿主或其共生微生物修飾的飲食分子，可能對小腸中CD4+CD8αα+?IELs的誘導至關重要。
接下來，作者試圖確定飲食和腸道因素是否負責調節小腸中CD4+CD8αα+?IELs水平，首先排除了膽汁酸（BA）本身及膽汁酸信號級聯影響后，最終將注意力集中在各種脂肪酸上。在給小鼠喂食特定脂肪酸后，他們發現，食用一種被稱為亞油酸（LA）的長鏈脂肪酸的小鼠開始在它們的小腸中出現CD4+CD8αα+?IELs細胞。
圖1. 腸道LCFA代謝物對上皮內CD4+CD8αα+細胞的維持至關重要
微生物是LA異構化的必要條件
一些腸道細菌，如腸球菌、乳桿菌、雙歧桿菌、瘤胃球菌和毛螺科，可以通過亞油酸異構酶(LAIs)將LA轉化為CLAs。小鼠腸道菌群組成在攝入低營養飲食后發生了變化，其中這些小鼠的回腸中幾種產生CLA的細菌豐度同時降低。作者進一步確定飲食和微生物群對腸道中CLA水平的影響，并發現細菌生物轉化過程對腸道CLA的產生至關重要。為了進一步確定LAI基因陽性細菌中的LCFA異構化途徑是否參與回腸CD4+CD8αα+?IELs的誘導，選擇兩種CD4+CD8αα+?IELs誘導株: 糞腸球菌MMH594和糞腸球菌OG1RF。在失去將LA轉化為CLAs的能力后，這些糞腸球菌菌株無法誘導回腸產生CD4+CD8αα+?IELs。這表明，小鼠小腸內CD4+CD8αα+?IELs的產生需要由LAI陽性共生菌編碼的LA代謝途徑。
圖2. 腸道細菌通過LCFA異構化途徑控制上皮CD4+CD8αα+細胞
CLAs通過HNF4γ誘導CD4+CD8αα+?IELs
飼料中的LA可被微生物代謝修飾，其產物CLAs具有宿主免疫調節特性。因此，進一步探討宿主如何識別微生物CLA信號來維持回腸CD4+CD8αα+?IELs穩態。表達CD8 α的SPF小鼠回腸IELs轉錄組學分析顯示，CD4+CD8αα+?IELs與TCRβ+CD8αβ+和TCRβ+CD8αα+?IELs的基因表達模式明顯不同。盡管所有三個IEL群體都表達了與CD8+?T細胞中細胞毒性T淋巴細胞程序相關的基因，但CD4+CD8αα+?IELs保留了許多由CD4+細胞系編碼的細胞因子的基本表達，這些細胞因子對維持腸道屏障功能很重要，例如IL10、IL17a、IL17f和IL22。
進一步分析發現CD4+CD8αα+?IELs選擇性地表達兩種核受體: HNF4α和HNF4γ，這兩種受體已被報道為腸道上皮細胞FA代謝的關鍵調節因子。其中HNF4α在整個胃腸道中高度表達，而HNF4γ主要在小腸中表達。CD4+?T細胞中HNF4α的缺失并不影響回腸CD4+CD8αα+細胞或其他IEL對照物的水平。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+細胞頻率。通過比較HNF4g缺陷小鼠及其對照組小鼠IECs中免疫信號相關基因的表達，發現這些免疫基因在Hnf4g缺陷的IECs中沒有下調，這表明在Hnf4g缺陷小鼠中存在一種獨特的調節IELs的機制。接下來，作者通過過繼性地將Hnf4g正常或缺乏Hnf4g的初始CD4+?T細胞轉移到Tcrb敲除小鼠體內，發現內在的HNF4γ可調節回腸CD4+CD8αα+?IELs。
為確定腸道CLAs是否通過HNF4γ調節回腸CD4+CD8αα+?IELs，作者用六種B膽汁酸(CA、CDCA、UDCA、TCA、TCDCA和TUDCA)混合乳化的CLAs治療Hnf4g缺陷小鼠，發現CLA-BA混合物能夠恢復低營養飲食的Hnf4g窩鼠的CD4+CD8αα+?IELs的回腸頻率；而單獨補充CLA無法恢復Hnf4g缺陷小鼠的回腸CD4+CD8αα+?IELs水平，這表明微生物CLA – Hnf4γ軸在調節這種IEL群體中起著關鍵作用。
圖3. 腸道CLAs通過HNF4γ調節上皮內CD4+CD8αα+細胞
HNF4γ通過IL-18受體下調ThPOK
接下來，作者探究CLA-HNF4γ軸調節CD4+CD8αα+?IELs的機制。三個表達CD8 α的TCRβ+?IEL亞群的轉錄組比較顯示，CD4+CD8αα+?IELs高水平表達IL13ra1和IL18r1。檢測相應細胞因子缺陷小鼠的回腸CD4+CD8αα+?IELs水平表明，IL-18信號傳導在控制這種IEL群體中具有潛在作用。雖然HNF4γ缺乏或低營養飲食不會影響回腸IL-18水平，但HNF4γ可以結合回腸CD4+?IELs中IL18r1位點的轉錄起始位點(TSS)。
此外，低營養飲食導致CD4+?IEL表面IL-18R1表達受損。通過補充CLA，小鼠CD4+?IELs中IL-18R1水平的恢復依賴于HNF4γ。這表明CLA-HNF4γ軸在控制CD4+?IELs中IL18r1介導的信號傳導中是至關重要的。進一步實驗發現在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IL-18R1在CD4+?IEL中的表達，而IL-18反過來通過其受體信號下調ThPOK，使CD4+CD8αα+?IELs分化。
圖4. 腸道CLA-HNF4γ軸通過IL-18信號傳導誘導上皮內CD4+CD8αα+細胞
CLA-HNF4γ軸調控腸道感染
據報道，CD4+CD8αα+?IELs可維持腸道穩態，這些IELs表達抗感染和屏障修復功能的特征基因。本研究分析了CLA-HNF4γ級聯是否調節鼠傷寒沙門氏菌(STm)感染模型中的腸道炎癥反應。首先發現飼料中添加CLA可以恢復小鼠的回腸CD4+CD8αα+?IELs。此外，給予CLA+低營養飲食的小鼠對STm感染的抵抗力與營養豐富飲食的小鼠一樣，而單純喂食低營養飼糧的小鼠表現出更高的死亡率、嚴重的上皮破壞、血清炎癥細胞因子水平增加和細菌傳播到非腸道器官增多。因此，CD4+?T細胞中的HNF4α信號在STm感染的控制中是不可缺少的。然而，Hnf4g缺陷小鼠比其同窩小鼠更容易感染STm，CD4+?T細胞中的HNF4γ信號也顯示出對STm感染的保護作用。表明干預CLA-HNF4γ軸可調控腸道感染程度。
圖5. CLA-HNF4γ軸控制腸粘膜感染
小結
本研究通過靶向代謝分析結合體內外機制研究，表明腸道菌群FA衍生物CLAs是通過HNF4γ介導的IL-18受體信號傳導維持健康的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網絡調控機體黏膜穩態與抗感染免疫的新型功能機制。
原文文獻
Song, X., Zhang, H., Zhang, Y. et al. Gut microbial fatty acid isomerization modulates intraepithelial T cells.?Nature. 2023.
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