撰文 | 崔浩白
責編 | 兮
人體腸道微生物可代謝多種宿主或食物來源的前體分子，從而產生大量具有生物活性的下游代謝產物。宿主與腸道微生物之間的膽汁酸代謝網絡（biliary network）便是其中經典一例。人體的肝臟細胞可以利用膽固醇作為前體，經由多步酶學反應合成多種牛磺酸或甘氨酸結合的初級膽汁酸。此類初級膽汁酸會被釋放進入十二指腸幫助人體消化吸收脂類及維生素。絕大部分初級膽汁酸經由肝腸循環為機體回收利用，但大約5%的膽汁酸將進入結腸，並由腸道微生物代謝為腸道膽汁酸代謝物。這些膽汁酸代謝產物可以作為重要的信號分子通過膽汁酸受體調節宿主的膽固醇代謝及能量平衡。此外，近期研究發現膽汁酸受體介導的信號通路在調控宿主先天免疫反應中也具有重要功能。但人體與微生物之間的膽汁酸代謝網絡是否可以調控機體的適應性免疫仍未可知。
2019年12月25日，美國哈佛醫學院免疫學系Dennis L. Kasper實驗室在Nature上在線發表了題為 Microbial bile acid metabolites modulate gut RORγ+regulatory T cell homeostasis 的研究論文。Dr. Xinyang Song以及Dr. Ximei Sun為文章的共同第一作者。該研究發現飲食及微生物因素均可控制腸道膽汁酸代謝物（intestinal bile acids）的合成，進而調控一類腸道特異Treg細胞（RORγ+Tregs）的數量及其抑制腸道炎症的功能。值得一提的是，此前（2019年11月28日）同樣來自美國哈佛大學醫學院免疫學系的Jun Huh課題組等在Nature上發表了類似的成果，提示膽汁酸代謝物可通過直接調控TH17和Treg細胞平衡，從而調控宿主免疫（Nature | 膽汁酸代謝物調節Th17和Treg細胞分化）。
腸道固有層中的FOXP3+調節性T細胞 （FOXP3+Tregs）對維持腸道穩態以及控制炎症反應至關重要【1】。不同於胸腺中的Treg細胞 （thymic Tregs，tTregs），腸道Treg細胞中有一類亞群並不表達Helios或Nrp1分子，但這類外周Treg細胞（peripheral Tregs，pTregs）卻表達轉錄因子RORγ，因此這類Treg細胞也被稱為RORγ+Tregs（圖1）【1】。
近年研究顯示，腸道微生物可以誘導這類RORγ陽性的Treg細胞在腸道中的積聚，但其調控機理仍不清楚【2,3】。隨後亦有研究稱食物中的某些組分也可以調控這一Treg亞群【4】。食物纖維降解而來的短鏈脂肪酸（short chain fatty acids，SCFAs）被認為是維持腸道pTreg細胞穩態的重要微生物代謝產物【1】 （圖1），但該研究團隊前期的工作發現SCFAs本身似乎並不能影響RORγ+Treg細胞在腸道中的積累【2】。由此論文作者提出假說認為：腸道微生物可能通過修飾飲食刺激所產生的其他前體分子來調控RORγ+Treg在腸道中的水平及功能。
圖1 腸道FOXP3+調節性T細胞的亞群。來自參考文獻【1】
研究人員首先發現，與飼餵正常食物（nutrient-rich diet）的SPF小鼠相比，飼餵半化學調配食物（nutrient-minimal diet）的SPF小鼠以及飼餵正常食物的無菌（Germ free，GF）小鼠的腸道RORγ+Treg細胞水平均顯著下降。這一結果再次說明飲食因素和微生物因素對於這一Treg細胞亞群的調控都至關重要。隨後研究人員證實，在當下的研究體系中，SCFAs仍然不是重要的調控因子。
膽汁酸作為機體肝臟細胞的代謝分子，其合成受到飲食的巨大影響且微生物可以在腸道中對其進行進一步修飾，從而形成一系列腸道膽汁酸代謝產物【5】（圖二）。於是，研究人員通過質譜檢測了三組小鼠糞便中的各類膽汁酸組分的變化。與rich-diet的SPF小鼠相比，minimal-diet的SPF小鼠腸道中肝臟來源的牛磺酸結合的初級膽汁酸（taurine-conjugated primary bile acids）水平顯著下降，而rich-diet的GF小鼠中這類膽汁酸水平卻升高了。這些結果說明飲食可以直接控制膽汁酸的肝臟合成，而微生物主要控制了膽汁酸在腸道中的修飾過程。隨後，研究人員發現，去結合的初級膽汁酸（deconjugated primary bile acids）和次級膽汁酸（secondary bile acids）的水平在這兩組小鼠中均顯著下降了，這一變化與RORγ+Treg細胞水平在三組小鼠中的變化相一致，這一結果也提示整個宿主和微生物之間的膽汁酸代謝網絡均可能參與調控腸道RORγ+Treg細胞的水平。
為了直接驗證腸道膽汁酸是否可以調控RORγ+Tregs，作者在部分minimal-diet小鼠的飲用水中加入了不同類別的膽汁酸鹽。作者發現特定的去結合初級膽汁酸混合物（cholic/chenodeoxycholic/ursodeoxycholic acids）以及特定的次級膽汁酸混合物（lithocholic/3-oxo lithocholic acids）均可以上調minimal-diet小鼠腸道中的RORγ+Treg細胞水平。由於這一現象只存在於結腸之中，這也提示了腸道微生物膽汁酸代謝通路在實驗體系中的重要地位。
圖2，宿主與腸道微生物之間的膽汁酸代謝網絡。改編自參考文獻【5, 6】
腸道微生物的膽汁酸代謝途徑多種多樣【5】，大致包括兩個步驟：1）膽汁酸水解酶 (bile salt hydrolases，BSH) 介導的去結合反應（deconjugation）；2）羥基類固醇脫氫酶（hydroxysteroid dehydrogenase，HSDH）或脫羥基酶（dehydroxylase）介導的各類次級膽汁酸修飾反應（圖2）。由於不同的腸道微生物具有不同的膽汁酸代謝途徑，作者在研究中選取了兩種擬桿菌門（Bacteroidetes）下的人類腸道共生微生物Bacteroides thetaiotaomicron 以及Bacteroides fragilis來進行實驗。這兩種共生菌具有以下的研究優勢：1）它們是人類腸道微生物的常見組分且可以誘導較高水平的RORγ+Tregs；2）與梭菌屬 (Clostridium) 細菌相比，它們的基因組易於編輯且僅含有有限的膽汁酸代謝基因。作者隨後分別或同時敲除了這兩種細菌中的BSH基因以及7α-HSDH基因，並將這些基因敲除的細菌和野生型對照分別植入GF小鼠體內。作者的研究發現BSH基因的產物脫牛磺酸的初級膽汁酸對於維持腸道RORγ+Treg的水平至關重要，而擬桿菌的7α位的膽汁酸脫氫反應並不必須。由於細菌遺傳學工具的限制，次級膽汁酸代謝物如lithocholic/3-oxo lithocholic acids的生物學合成途徑以及其對RORγ+Tregs的調控仍需進一步探索。膽汁酸通過各類膽汁酸受體（bile acid receptor，BAR）發揮功能【7】。作者同分析各類膽汁酸受體（GPCR或NR）敲除小鼠中腸道RORγ+Treg的表型，最終發現核受體VDR是介導膽汁酸對於RORγ+Treg的維持所必須的，且這一效應是直接通過作用於Treg細胞而實現（圖3）。最後，作者在小鼠的結腸炎模型中證實，膽汁酸可以在腸炎中維持minimal-diet小鼠腸道中的RORγ+Treg細胞水平並緩解這些小鼠的腸炎症狀。而Treg細胞中條件性敲除VDR的小鼠則在模型中具有更嚴重的腸炎發生，這些實驗結果再次印證了膽汁酸受體與配體在該研究中功能上的一致性。
圖3 Bile acid-VDR軸調控腸道RORγ+Treg穩態的模式圖。
綜上，研究人員通過大量的體內實驗認為腸道中占主導地位的初級膽汁酸及一些可以強有力激活膽汁酸受體的次級膽汁酸均有可能在維持腸道RORγ+Treg pool中發揮功能。進一步理解膽汁酸代謝網絡對於腸道Treg細胞調控的分子機理將有助於人類腸道炎症疾病的預防及治療。
原文連結：
https://www.nature.com/articles/s41586-019-1865-0
製版人：珂
參考文獻
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3.Ohnmacht, C., et al., MUCOSAL IMMUNOLOGY. The microbiota regulates type 2 immunity through RORgammat(+) T cells. Science, 2015. 349(6251): p. 989-93.
4.Kim, K.S., et al., Dietary antigens limit mucosal immunity by inducing regulatory T cells in the small intestine. Science, 2016. 351(6275): p. 858-63.
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6.Macpherson, A.J., M. Heikenwalder, and S.C. Ganal-Vonarburg, The Liver at the Nexus of Host-Microbial Interactions. Cell Host Microbe, 2016. 20(5): p. 561-571.
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