肠道共生菌是维系宿主肠黏膜免疫稳态的关键因素，可通过产生多种小分子活性代谢物来发挥作用，然而现有研究对其在肠道免疫耐受微环境中的调控功能的阐释仍不完全。因此，在菌株水平深入了解特定肠道核心菌群及其代谢产物如何影响炎性肠病 (Inflammatory bowel disease,IBD) 等肠道相关疾病的发生发展及临床结局至关重要。现有研究认为，结肠中CD4+ T细胞的免疫失衡，即Th1/Th17细胞亚群过度活化，调节性T细胞 (colonic regulatory T cells, cTregs)功能受损是IBD发病过程中的重要推手之一。虽然已有大量研究明确了cTreg通过分泌免疫抑制性细胞因子在维系肠稳态中的重要作用，但是参与调控Treg介导的免疫耐受的核心菌群及其重要代谢产物尚未明确，其背后的调控机制也未得到完全解析。
近日，朱书研究员所在团队在Nature Communications杂志上发表题为 Dubosiella newyorkensis modulates immune tolerance in colitis via the L-lysine-activated AhR-IDO1-Kyn pathway 的研究型论文。该工作在抗生素处理小鼠及无菌小鼠模型上建立葡聚糖硫酸钠（dextran sulfate sodium, DSS）诱导的结肠炎模型，证实小鼠肠道共生细菌——纽约杜伯氏菌(Dubosiella newyorkensis，D. newyorkensis)及其人类同源菌无害梭菌(Clostridium innocuum, C. innocuum) 在维系宿主肠稳态过程中具有重要免疫调节功能。
研究表明，纽约杜伯氏菌能通过产生短链脂肪酸（特别是丙酸）和赖氨酸 (L-Lysine, Lys) 调控结肠Treg/Th17免疫平衡，从而抑制结肠炎性反应并改善黏膜屏障损伤。体内外试验结果证实，Lys以芳香烃受体 (aryl hydrocarbon receptor, AhR) 依赖的方式激活树突状细胞 (dendritic cell, DC) 中的吲哚胺2,3-双加氧酶1 (indoleamine-2,3-dioxygenase, IDO1) ，增强其对色氨酸 (Trp) 向犬尿氨酸 (Kyn) 通路的分解代谢，从而诱导Treg产生免疫抑制相关细胞因子。该研究从肠菌代谢物调控宿主免疫应答的新角度，阐明了产Lys的肠道共生菌通过激活结肠DC的AhR-IDO1-Kyn代谢循环，建立Treg介导的免疫抑制微环境的分子机制。这项研究提示D. newyorkensis及C. innocuum或可成为预防或治疗炎性肠病的候选微生态制剂，也突显了益生菌在未来治疗肠道相关炎性疾病的巨大潜力，为进一步探索和开发新的IBD治疗策略奠定了坚实基础。
研究者首先使用氨苄西林 (Ampicillin, Amp)、万古霉素 (Vancomycin, Van)、新霉素(Neomycin, Neo) 和甲硝唑 (Metronidazole, Metro) 四种单抗生素以及四种抗生素联用的形式 (Abx) 给野生型C57BL/6J（B6）小鼠灌胃以祛除小鼠肠道菌群，然后通过DSS诱导结肠炎，观察到Neo处理后具有较好的结肠炎缓解效果。此外，研究者将Neo预处理小鼠的粪便通过粪菌移植 (fecal microbiota transplantation, FMT) 的方法移植给Abx小鼠，同样观察到结肠炎表型显著改善。此现象表明Neo小鼠的粪便微生物群中包含某些对结肠炎具有保护作用的肠道微生物。
随后，研究者通过对Neo小鼠的粪便进行16S rRNA测序，发现其结肠内富集了一种鲜为研究的菌属——杜氏菌属（Dubosiella）。因此，研究者选择该属的典型代表菌株——纽约杜氏杆菌（Dubosiella newyorkensis，后文简称Dub）对常规小鼠和抗生素处理的野生型B6小鼠进行单菌定植，证实该菌可减轻炎症并改善黏膜屏障损伤。进一步研究发现，Dub的保护效应与其代谢产物有关，而非来自于菌体成分。此外，研究者发现在常规或抗生素处理小鼠中，Dub定植会显著升高结肠固有层、肠系膜淋巴结和脾脏中CD25+Foxp3+Treg细胞，并显著降低IL-17+CD4+ T细胞，表明Dub具有调控Treg/Th17比例的能力。
鉴于Dub与能够产生大量短链脂肪酸（SCFA）的共生菌——Faecalibaculum rodentium在遗传学上亲缘关系较近，研究者对Dub定植小鼠的粪便样本进行了气相色谱-质谱（GC-MS）分析，发现Dub可高效产生短链脂肪酸，尤其是丙酸，且丙酸处理也会引起结肠固有层、肠系膜淋巴结和脾脏中CD25+Foxp3+Treg细胞水平显著升高、IL-17+CD4+T细胞水平显著降低。然而，Dub在丙酸受体，G蛋白偶联受体43（G protein receptor 43, GPR43）敲除小鼠中定植后仍具有部分上调cTreg细胞比例的能力，这表明Dub能够通过其他代谢产物或（及）非GPR43依赖性途径诱导cTreg介导的免疫抑制。
为了进一步探寻能够促进CD25+Foxp3+Treg上调的Dub代谢产物，研究者对Dub小鼠的结肠样本进行了靶向代谢组学分析，发现色氨酸 (Trp) 代谢中的犬尿氨酸 (Kyn) 途径显著增强。由于吲哚胺-2,3-双加氧酶1（IDO1）是Trp代谢为Kyn最重要的限速酶，研究者通过体内外试验证实Dub能上调结肠固有层单核细胞（colonic lamina propria mononuclear cells, cLPMCs）中树突状细胞内IDO1的表达，产生更多Kyn，以促进初始CD4+ T细胞分化为CD25+Foxp3+Treg。
随后，研究者结合了Dub定植后小鼠结肠组织靶向代谢组学及Dub培养上清靶向代谢组学的分析结果，发现并阐明了Dub代谢产物赖氨酸 (Lys) 能够调节DC的色氨酸代谢。分子机制方面，Lys处理DC后能诱导AhR从胞浆中转移到核内，并通过上调IDO1表达促使DC中的Trp代谢向Kyn途径倾斜，最终产生更多Kyn诱导更高水平的cTreg，从而维系结肠免疫耐受的微环境。同样，研究者还发现了Dub的人类同源菌C. innocuum可通过上调人源DC的IDO1，诱导免疫耐受。这对在此基础上进一步开发具有结肠炎临床防治效果的微生态制剂具有重要意义。
如模式图所示：1) D. newyorkensis定植后，其代谢产物乙丙酸可作用于Treg细胞表面受体GPR43，促进其分泌IL-10和TGF-β等抑炎因子。2) D. newyorkensis的另一种代谢产物L-Lys能够促进cLPMC中树突状细胞AhR的核转位，上调IDO1表达，使Trp代谢向Kyn途径倾斜，最终产生更多Kyn，诱导初始CD4+ T细胞分化为CD25+Foxp3+cTreg，介导免疫耐受。朱书研究员为本文通讯作者，博士生张雅楠为本文第一作者。
该研究受到国家自然科学基金（32172864和U21A20261)及科技部重点研发计划课题（2022YFD1800804）资助。
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-45636-xv
朱书团队供稿
2024年2月19日