適應性免疫是僅存在于頜類脊椎動物中的一種迷人的生物學現象,特征是其在個體生命過程中有修飾受體譜系的能力,并且“記住”與先前病原體的相遇,使其更容易預防或治療同一病原體的后續感染。適應性免疫在抗病性中的作用都有很好的記錄,然而其在共生微生物群落中的作用尚不清楚,并因此引發出了一個新興的概念模型——“生態過濾器”。
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越來越多的證據表明,免疫系統可以作為人類和動物模型中微生物群落的生態過濾器。全基因組關聯研究和數量性狀位點定位研究發現免疫基因與人和小鼠微生物群組成之間存在顯著的相關性。此外,已經有研究證明免疫受體與腸道微生物群體間的物理相互作用,影響其組成和多樣性,進而影響宿主的健康。
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宿主適應性免疫系統的直接操作也顯示了腸道微生物群的顯著變化。然而這些研究,特別是那些在小鼠中的研究通常樣本量小,或者其設計不能從不同籠子里的不同表型的小鼠中區分出基因型特異性,并且很少有研究能明確地看出各種籠子中的生態過濾功能。
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斑馬魚是測試適應性免疫過濾效果的優秀模型,因為斑馬魚可以同時彌補小鼠和人類研究的許多缺點:1. 斑馬魚具有與哺乳動物非常相似的適應性免疫系統;2. 來自單一育種對的大量個體可以在單個實驗中被使用;3. 可以容易地操縱養殖條件,并且共享環境可以全面抽樣;4. 雖然在孵化時先天免疫是有活力的,但斑馬魚的適應性免疫力在21和28 d之間才能完全發揮作用,這就允許實驗者更容易地解決對免疫方式的區分。
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通過記錄斑馬魚發展過程中腸道微生物群落的組成變化可以發現,21 dpf后,盡管養殖條件和飲食水平不變,微生物群組成還是發生了重大變化。通過將數據擬合為只有中性群落構建過程的生態模型,例如個人的分散和隨機損失,可以發現適應性免疫力作為腸道微生物的生態過濾器對群落的發展提供了變數。
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中性模型適應發展趨勢,這意味著隨著斑馬魚的發育,生態過濾器在形成腸道微生物群時變得更為重要。從這些結果來看,研究者們猜測主體增加腸道微生物群落過濾時間的方式之一是通過適應性免疫系統的成熟。
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由于在共同的環境中,宿主因子可能傳播微生物和/或宿主因子,非常有理由懷疑適應性免疫系統作為生態過濾器的能力可能會因其他魚類的存在而改變。因此,研究者分別通過分離或混合基因型,創造出具有低或高潛力的野生型和rag1-宿主之間傳播的處理(圖1)。我們假設,通過宿主基因型增加野生型和rag1 -hosts之間的傳播潛力將壓倒適應性免疫的影響,使得他們的群落更類似于rag1群落。
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為了確定適應性免疫是否是成年斑馬魚腸道微生物群體的重要生態過濾器,研究者們比較了野生型(適應性免疫存在)和rag1-(適應性免疫無活性)宿主的腸細菌群落,并針對適應性免疫作為過濾器的作用提出了四個主要假設:
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(1)由于B細胞和T細胞受體的體細胞重組,適應性免疫對每個宿主的腸道微生物具有個體化作用,導致野生型宿主群體組成與rag1宿主之間的差異更大;
(2)適應性免疫的過濾效果將導致野生型和免疫缺陷型宿主的組成之間的明顯差異;
(3)適應性免疫作為宿主環境中微生物的過濾器,導致環境水域與具有功能性免疫系統的宿主的腸道微生物群體之間的差異較大;
(4)在rag1宿主中通過適應性免疫的缺乏過濾導致腸組織微生物群中的中和裝配過程中更大的作用。
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