近年来，肠道微生物的研究成为了生命科学领域最火的研究方向之一。这些居住在我们体内的小生物通过各种各样的方式影响着人体运转的方方面面，它们控制着我们的食欲、情绪、免疫力以及各种疾病的发生。 在这个复杂的「人菌交互」之中，还有许多谜团等待着科学家们去揭开。
图片来源：Nature
4 月 15 号，来自纪念斯隆 - 凯特琳癌症中心（Memorial Sloan Kettering Cancer Center）的 Alexander Y. Rudensky 教授带领团队在 Nature 发表了题为《Bacterial metabolism of bile acids promotes generation of peripheral regulatory T cells》的论文 [1]，首次深入揭示了肠道细菌的胆汁酸代谢产物促进外周调节性 T 细胞（Peripheral regulatory T cells, pTreg）的产生，并因此影响宿主免疫的机制。 研究内容 研究人员的思路从一开始就非常清晰。一些肠道微生物的代谢产物早已被证明能够调控 Treg 的产生。作为胆汁的主要成分，人体所产生的胆汁酸中的 95% 会被循环吸收后运送回肝脏，但还有剩下 5% 在肠道中被微生物转化为次级胆汁酸。此前，该研究团队在调节性 T 细胞领域耕耘多年，并发现了转录因子 Foxp3 在调节性 T 细胞 (Treg) 的发育过程中起到关键性的调控作用。所以研究人员很自然的联想了少有人深究过的胆汁酸代谢产物在 pTreg 上的作用与具体机制。
研究人员首先对所有主要的次级胆汁酸异构体进行了筛选，发现只有 ω-MCA 和 isoDCA 可以显著促进 Treg 的分化。与此同时，ω-MCA 和 isoDCA 并不能促进 Th17 细胞的分化，揭示这两者的促分化作用是 Treg 特异性的。研究人员还揭示了 ω-MCA 和 isoDCA 的异构体们没有促进 Treg 分化的作用的原因，发现是次级胆汁酸中特定羟基的空间方向决定了它们的功能，揭示了是肠道微生物对次级胆汁酸的差向异构化决定了后者的免疫调节作用。 由于常规 Treg 分化需要包括树突状细胞（DC）的抗原呈递细胞来实验，研究人员随后次级胆汁酸的调节作用是否需抗原呈递细胞的参与。结果显示，在没有 DC 细胞的环境下，isoDCA 不仅没能提高 Treg 细胞的分化，反而造成了 Treg 比例的减少。这意味着 isoDCA 的促 Treg 生成作用是通过一种与其他报道截然不同的 T 细胞外在免疫调节机制（T cell-extrinsic immunoregulatory mechanism），这种机制是作用于抗原呈递细胞（包括 DC 细胞）来实现。
由于此前研究已经报道了胆汁酸作用于类法尼醇 X 受体（Farnesoid X receptor，FXR）影响哺乳动物细胞的生理功能，所以作者随后在 Treg 生成细胞模型中分别敲除了 DC 细胞与 T 细胞上的 FXR，发现 T 细胞的 FXR 被敲除后并不会影响 isoDCA 的促 Treg 生成作用，反倒是 DC 细胞中 FXR 的缺失让 isoDCA 失去了效果，这再次证明了 isoDCA 是直接作用于 DC 细胞来影响 Treg 的分化 。 随后，研究人员对 isoDCA 处理过后的野生型 DC 细胞进行 RNA-seq，识别出一系列可能参与 isoDCA 调节作用的基因。包括参与抗原呈递的基因 Ciita、Ctse、H2ab、 H2eb 和 H2dma，以及参与检测和传导促炎症信号的基因 Tlr7, Tlr12, Nlrc5, Stat2, Stat6, Irf1 和 Irf7 都出现了明显的下调；而抑制炎症通路 NFκB 的调节因子则出现了明显的上调，这些数据证明 isoDCA 抑制了 DC 细胞中的炎症反应。 对 FXR 敲除的 DC 细胞进行 RNA-Seq 后发现，FXR 敲除和 isoDCA 导致的基因变化出现了重合，证明 isoDCA 可能是通过抑制 FXR 信号传导来产生作用。
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随后，研究人员利用 FXR 的天然激动剂 CDCA 和合成激动剂 GW4064 进行了 FXR 通路相关的实验 ，揭示出 isoDCA 是 FXR 的一种受体拮抗剂。
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在体外验证了 isoDCA 的作用后，研究人员构建了改造了拟杆菌属的细菌，让它们特异性产生 isoDCA。在 Clostridium scindens 菌（CS 菌）产生前体后，拟杆菌属的工程菌会在体内制造出更多的 isoDCA 。
让这些工程菌和 CS 菌在小鼠体内定植后，研究人员检测了小鼠体内 pTreg 的占比。实验数据显示，活细菌与死细菌的定植都能显著提高 pTreg 的百分比，但功能性活工程菌带来的提升显著高于死细菌。在没有 CS 菌制造 isoDCA 前体的小鼠体内，研究人员并未发现 pTreg 占比的显著升高，证明工程菌的作用是通过加工前体以产生 isoDCA 来实现的。最后，研究人员敲除了 Foxp3 的增强子 CNS1，发现工程菌无法再增加 pTreg 的产生，揭示了 isoDCA 是作用于经典的 pTreg 分化机制来促进 Treg 分化，这个过程中需要 CNS1 的参与。
研究意义 肠道微生物自身的代谢产物增加 pTreg 的产生在哺乳动物体内并不罕见，但本文首次报道了肠道微生物通过加工宿主内生类固醇之一的胆汁酸来得到 isoDCA，并促进 pTreg 分化的全新机制。通过详尽的体外实验，作者发现了 isoDCA 拮抗 DC 细胞的 FXR 受体，以此抑制 DC 细胞内的炎症反应，并促进具有负调节免疫功能的 Treg 细胞产生。
作者还运用了特异性产生 isoDCA 的工程菌组合，在体内进一步证明了 isoDCA 对于 Treg 细胞分化的直接作用。研究的体内和体外实验设计的调理清晰，证明过程行云流水。
本次研究对 FXR 机制的探究为复杂的黏膜免疫反应提供一个全新的角度，这种细菌产生的次级胆汁酸是否能够影响除了 DC 细胞以外的其他免疫细胞和相应胆汁酸受体值得进一步研究。 延伸阅读 Alexander Y. Rudensky 教授的工作在 Treg 形成机制揭示中起到了重要的作用，他也因为这些工作引得无数奖项，并因此在 2015 年成为了汤森路透社预测诺奖的「引文桂冠得主」，自从 2002 年开始预测以来，已经有 43 人「引文桂冠得主」获得了诺贝尔奖。
Alexander Y. Rudensky 教授对于肠道微生物与 Treg 的研究可以追溯到七年前。
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2013 年 11 月 13 日，Alexander Y. Rudensky 团队和来自日本理研所 RIKEN 的 Hiroshi Ohno 团队就在 Nature 背靠背发表题了题为《Metabolites produced by commensal bacteria promote peripheral regulatory T-cell generation》[2] 和《Commensal microbe-derived butyrate induces the differentiation of colonic regulatory T cells》的两篇论文 [3]，报道了共生菌的代谢产物能够调节 Treg 的产生。
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后来其他学者也先后跟进，2019 年 11 月底，来自美国哈佛、斯坦福和纽约大学联合团队在 Nature 发表了题为《Bile acid metabolites control TH17 and Treg cell differentiation》的论文 [4]，揭示了胆汁酸代谢物调控 TH17 和 Treg 细胞平衡，从而调控宿主免疫。有趣的是，这项研究的作者发现无菌鼠中并不存在这些代谢产物，暗示了共生菌在这个调节中起到关键性作用。
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一个月后，同样来自哈佛大学的 Dennis L. Kasper 在 Nature 发表题为《Microbial bile acid metabolites modulate gut RORγ+regulatory T cell homeostasis》的论文 [5]，在体内观测到了微生物产生的胆汁酸代谢物促进了 pTreg 的产生，但没有就细胞层面的机制做过多的剖析。 作为 T reg 细胞研究的奠基人之一，Alexander Y. Rudensky 的本次研究进一步揭示了肠道微生物产生的次级胆汁酸 isoDCA 是如何在细胞层面通过 DC 细胞的 FXR 受体调节 Treg 的分化，对这种复杂「人菌交互」现象提供了更深入的理解。
参考文献
1. Campbell, C., et al., Bacterial metabolism of bile acids promotes generation of peripheral regulatory T cells. Nature, 2020.
2. Arpaia, N., et al., Metabolites produced by commensal bacteria promote peripheral regulatory T-cell generation. Nature, 2013. 504(7480): p. 451-455.
3. Furusawa, Y., et al., Commensal microbe-derived butyrate induces the differentiation of colonic regulatory T cells. Nature, 2013. 504(7480): p. 446-450.
4. Hang, S., et al., Bile acid metabolites control TH17 and Treg cell differentiation. Nature, 2019. 576(7785): p. 143-148.
5. Song, X., et al., Microbial bile acid metabolites modulate gut RORγ+ regulatory T cell homeostasis. Nature, 2020. 577(7790): p. 410-415.
题图来源：站酷海洛
