综述(上)| Annu. Rev. Immunol.：肠道微生物群、上皮细胞和免疫细胞之间的互作

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1.介绍

肠道是有害病原微生物入侵的主要途径之一，所以肠粘膜含有大量的各种免疫细胞。肠道中所特有的是大量的共生菌，也称为微生物群。除了细菌，病毒和真菌也以共生菌的形式存在于肠道中。肠道菌群与宿主之间存在相互关系。宿主提供肠道作为定居场所。菌落定植后，微生物群赋予宿主多种益处，例如产生养分或抵抗病原体入侵。微生物群影响宿主健康的机制已经阐明。已经确定特定肠道细菌可以诱导效应T细胞以及产生IgA的细胞发育。然而，微生物群是非自身的，如果免疫系统识别出微生物群，它将被消除。实际上，在患有炎症性肠病（IBD）的患者中，肠道粘膜的免疫反应加剧。因此，应严格调节对肠道菌群的免疫反应，以防止导致IBD的肠道炎症。在这种情况下，肠上皮细胞层起着屏障的作用，使位于肠粘膜中的免疫细胞无法识别肠腔中存在的微生物群。有几条证据表明，上皮细胞衍生的因子使微生物群（特别是大肠中的微生物群）与宿主细胞分开。因此，微生物群基本上不与宿主细胞直接结合而存在于肠腔中。然而，如上所述，微生物群对宿主产生有益作用。证据表明，肠道中以微生物群依赖性方式产生的代谢产物介导免疫系统和上皮细胞的激活（图1）。在这篇综述中，对微生物群与上皮细胞以及微生物群与免疫系统相互作用的最新进展进行总结。

图1.微生物群的代谢物维持肠道内平衡。

（a）共生细菌介导的短链脂肪酸（SCFA）生物合成途径。（b）SCFA通过G蛋白偶联受体（GPR）抑制组蛋白去乙酰化酶（HDAC）活性。（c）胆汁酸（BAs）通过钠依赖性转运蛋白（Asbt）被上皮细胞吸收，随后通过有机溶质转运蛋白α和β（OSTα/β）释放到粘膜中。（d）吲哚与芳烃受体（AHR）相互作用，导致杯状细胞产生粘液。（e）在肠道中，共生细菌和活化的免疫细胞（包括嗜碱性粒细胞和肥大细胞）产生细胞外ATP。

2.微生物群与上皮细胞之间的相互作用

2.1肠道微生物群向肠道上皮发出信号

肠上皮细胞(IECs)接收来自共生微生物或入侵病原体的信号，通过调节粘膜屏障以及向固有层的免疫细胞传递信号适应肠道环境的改变。肠道微生物向IECs发出的信号可分为以下三种类型:细菌代谢物、细菌成分和细菌本身。

2.1.1细菌代谢物和细胞外基质

三种主要的细菌代谢物，如短链脂肪酸(SCFAs)，次级胆汁酸(BAs)和色氨酸代谢物在维持肠道上皮完整性中发挥重要作用。

在肠道中，以微生物群依赖性方式产生的主要SCFA是（a）乙酸，是通过丙酮酰CoA从丙酮酸中产生或通过Wood-Ljungdahl途径；（b）由琥珀酸或乳酸与丙烯酸产生的丙酸；（c）由乙酸或乳酸合成的丁酸（图1a）。肠道中也存在其他SCFA，包括戊酸，己酸和异戊酸，但数量很少。SCFA不仅充当宿主的能源，而且还充当IEC和免疫细胞的生理功能调节剂（图1b）。SCFA，尤其是丁酸作为燃料和细胞周期诱导剂，促进IEC增殖。因此，在粘膜损伤后SCFA对上皮层的完整性和组织修复起重要作用。IEC表达SCFA受体，例如G蛋白偶联受体41（GPR41），GPR43和GPR109a。依赖SCFA的GPR41 / 43激活上调结肠上皮细胞因子和趋化因子的产生，有助于清除病原菌。此外，丁酸通过激活GPR109a刺激结肠上皮表达IL-18。结肠上皮细胞中的IL-18可保护结肠免于炎症和癌变。此外，丁酸在结肠IEC中激活PPAR-γ（过氧化物酶体增殖物激活的受体γ）信号传导，通过降低呼吸电子受体的生物利用度抑制肠杆菌科细菌的繁殖。此外，SCFA增强杯状细胞的粘液产生和释放。对人结肠上皮细胞系的体外分析显示，丁酸通过激活MUC2启动子并改变该DNA区域中的组蛋白修饰上调MUC2表达。IEC还认可由病原微生物产生的SCFA。Tuft 细胞是一种味觉化学感应IEC，可检测入侵蠕虫产生的琥珀酸，而琥珀酸活化的簇绒细胞通过产生IL-25消除蠕虫，IL-25触发由第2组先天淋巴样细胞介导的2型先天免疫通路（ILC2s）。总的来说，SCFA不仅作为能源促进IEC的增殖，而且通过调节细胞因子和粘蛋白的基因表达调节IEC的免疫功能。

初级BA，例如鹅去氧胆酸（CDCA）和胆酸（CA），通过一系列复杂的酶促反应从肝脏中的胆固醇中合成，与甘氨酸或牛磺酸结合后被储存在胆囊中。它们促进小肠中脂质的吸收。反过来，回肠上皮细胞会通过钠依赖性转运蛋白（Asbt）重新吸收大约95％的BA（图1c）。被上皮细胞吸收的BAs通过存在于上皮细胞上的异二聚体转运蛋白OSTα/β释放到回肠的固有层中，并通过门静脉返回肝脏。未吸收的BA被微生物群转化为次级BA。CDCA被转化为熊去氧胆酸（UDCA）和石胆酸，CA被转化为脱氧胆酸（DCA）。次级BA可能对肠道有害，并导致肠道疾病，例如新生儿坏死性肠炎和IBD。最近的证据表明，牛磺酸偶联的CA通过Src，表皮生长因子受体（EGFR）和细胞外信号调节激酶（ERK）的激活诱导IECs的增殖。其非共轭的次级DCA通过激活法尼素X受体（FXR）抑制IEC增殖，从而抑制伤口愈合。因此，FXR缺乏导致IEC增殖增加。另一方面，另一种次级BA，UDCA通过刺激经由EGFR / COX-2依赖性途径的IEC迁移，有利于伤口愈合。此外，肠上皮层中的内分泌细胞表达识别BAs的G蛋白偶联受体Takeda G蛋白受体5（TGR5）。DCA刺激内分泌细胞上的TGR5，通过释放5-羟色胺（5-HT）和降钙素基因相关肽（CGRP）促进结肠蠕动，这两者都是蠕动反射传入肢体的主要传递者。肠道菌群产生的次生BA共同影响IECs的活性和增殖。

饮食中的色氨酸通过肠道菌群中的色氨酸酶转化为吲哚。IECs表达环境传感器芳烃受体(AHR)，识别吲哚(图1d)。最近的一份报告表明，IECs中的Ahr缺陷通过降低Muc2和Car4的表达降低对致病性细菌感染的抵抗力。此外，细胞连接相关分子的表达，包括occludin和claudins，通过孕烷X受体(PXR)刺激吲哚上调。这些结果表明吲哚激活IECs中的AHR和PXR可以增强屏障功能。此外,证明IECs中AHR调节Wnt在iec /β-catenin信号,有助于从隐窝干细胞中分化出合适的上皮细胞。因此，吲哚作为一种依赖于微生物的色氨酸代谢物，在维持上皮屏障完整性方面起着重要的作用。

2.1.2 细菌成分和IECs

免疫细胞表达模式识别受体，用于免疫监视。包括Toll样受体（TLR）和NOD样受体（NLR）。它们从肠道微生物群中检测细菌成分，如脂多糖(LPS)和鞭毛蛋白，并诱导信号转导，促进上皮细胞增殖，促进细胞因子、抗菌分子和黏液产生。在小肠中，TLR/MyD88信号促进IECs产生抗菌分子，特别是Paneth细胞中发挥重要作用。上皮细胞Myd88缺乏导致小肠中IEC产生的具有杀菌作用的C型凝集素Reg3γ减少，导致肠道上皮表面细菌定植增加，对肠伤寒沙门氏菌感染的抵抗力降低。在大肠中，TLR2，TLR4和TLR5在IEC的顶端和基底位点表达。IEC特异缺失MyD88导致IECs减少产生抗菌肽和粘液，导致对实验性结肠炎和啮齿类柠檬酸杆菌感染产生高度敏感性。此外，革兰氏阴性杆菌(包括致病菌)的鞭毛蛋白刺激TLR5/MyD88信号通路，促进IECs产生IL-8，募集中性粒细胞进入固有层清除这些细菌。此外，TLR配体，包括LPS、Pam₃CSK₄和鞭毛蛋白，可以诱导结肠杯状细胞分泌MUC2。NLRs是先天的细胞受体，也参与维持粘膜屏障功能。NOD2是克罗恩氏病的易感基因，它识别细菌肽聚糖中保守的结构，即保守分子二肽。缺乏NOD2的小鼠因为Paneth细胞产生的抗菌肽减少，表现出严重的由肝螺杆菌引起的回肠肉芽肿性炎症。此外，最近的研究表明，NLR家族含pyrin结构域蛋白6（NLRP6）介导的炎症小体的激活，通过促进自噬，驱动杯状细胞的粘液颗粒外分泌，对于防止大肠埃希氏菌和TM7等易导致结肠炎的细菌大量定殖非常重要。

2.1.3细菌粘附力和IEC

完整的粘膜上皮屏障保证肠道黏膜表面不受细菌侵害。但是，一些肠道细菌附着在粘膜表面。细菌粘附诱导IEC中特定的基因表达。分节丝状细菌(SFB)是小鼠或大鼠肠道中的许多共生细菌之一，大部分附着在回肠的IECs上。SFB与IECs结合诱导IECs产生血清淀粉样蛋白A (SAA)，强烈促进固有层中T helper 17 (Th17)分化。此外，Th17细胞或ILC3s产生的IL-17和IL-22可诱导IEC分泌抗菌肽和Reg3家族蛋白，有助于抵抗肠道细菌感染。此外，肠道病原体C.rodentium与IECs的粘附会上调Nos2，Duoxa2和Duox2的表达，这些蛋白参与活性氧物质(ROS)的生成，促进结肠固有层中Th17细胞的分化。这些ROS产生相关基因在IECs中被鞭毛蛋白诱导的TLR5激活上调。因此，IEC中的TLR信号可能参与IEC中ROS的产生以及结肠固有层中Th17的诱导。

综上所述，这些结果表明肠道微生物群所产生的代谢物、细菌成分和细菌粘附持续刺激IECs，这些对于维持肠上皮细胞的完整性、增殖和屏障功能，以及保护肠道免受细菌感染和粘膜损伤至关重要。

2.2 肠道上皮对肠道微生物群的调节

虽然肠道微生物群给宿主带来很多好处，但它被宿主免疫系统识别为外来微生物。因此，存在一种巧妙的屏障系统，可以在空间上隔离肠道微生物和宿主免疫细胞，避免对肠道微生物群的过度免疫反应。IEC产生的粘膜屏障系统分为两种亚型：物理屏障和化学屏障。另外，在小肠中，粘膜屏障的机制也有很大不同。

2.2.1化学屏障

小肠产生的粘液比大肠低，因为杯状细胞较少。然而，Paneth细胞存在于小肠中。Paneth细胞专门生产化学屏障分子，包括抗菌肽和Reg3家族蛋白。这些化学屏障分子在小肠肠道细菌和IECs的分离中起着关键作用(图2a)。抗菌肽是小的，富含碱性氨基酸的阳离子蛋白，在各种生物中都具有进化保守性。它们包括蛋白质防御素家族和抗菌肽家族（cathelicidins），两者都与带负电荷的微生物细胞膜结合，通过形成孔状结构而导致膜破坏。防御素分为三大类：α-，β-和θ-防御素。α-防御素（隐窝素）在这里特别重要，因为它仅在小肠的Paneth细胞中表达，并保护宿主免受致病性细菌感染。前体隐窝素通过基质金属蛋白酶7（MMP-7）转化为成熟隐窝素。Mmp7缺乏症会导致鼠伤寒沙门氏菌感染，因为缺乏成熟的隐窝素55）。cathelicidins是存在于所有哺乳动物中的进化保守的抗菌肽。在小鼠中，cathelicidin相关的抗菌肽（CRAMP）与人cathelicidin同源，在结肠上皮细胞中表达。缺乏CRAMP的小鼠极易感染啮齿类念珠菌，这表明cathelicidin是大肠内是天然抗菌防御的必要组成部分。Reg3家族蛋白是主要由Paneth细胞产生的抗菌c型凝集素。它们通过与肽聚糖结合，形成六聚体膜穿透孔，对革兰氏阳性细菌具有杀菌活性。尤其是Reg3γ（人类直系同源基因为Reg3α）通过抑制革兰氏阳性菌，在小肠肠道细菌和肠道上皮细胞的空间分离中起重要作用。此外，Reg3g的表达通过TLR/MyD88途径和ILC3s对IL-22的刺激来控制，这两者都被肠道微生物群激活。

由于肠道微生物群失调，化学屏障的破坏导致对肠道炎症的高度敏感性。缺少MyD88的小鼠IECs产生的抗菌肽和粘液减少；因此，他们对实验性结肠炎和肠道细菌感染非常敏感。缺乏IL-22信号转导的小鼠对DSS诱导的结肠炎(上皮损伤的实验模型)也表现出很高的敏感性，IL-22信号转导增强IECs产生抗菌肽的能力。此外，通过有条件的敲除NEMO（一种对NF-κB激活必不可少的IκB激酶亚基），IEC特异性抑制NF-κB会在小鼠中引起慢性肠道炎症，这是由于抗菌肽的表达减少以及细菌向结肠粘膜的转移所致。

2.2.2物理屏障

与小肠不同，大肠中不存在Paneth细胞样细胞，且有大量的微生物群定殖。因此，一个完全不同的粘膜屏障系统基于三个物理屏障隔离共生菌群和大肠的上皮层(图2b)。

粘液层在结肠中提供了第一个物理屏障。大肠中的杯状细胞数量比小肠中的高得多。杯状细胞分泌形成凝胶的MUC2（一种高度O-糖基化的蛋白质），是覆盖大肠上皮的厚粘液层。大肠的粘膜层由两层组成，内部牢固的粘膜层以及外部疏松的粘膜层。内黏液层由锚定在肠上皮上的聚合的MUC2组成，通过宿主或细菌对MUC2的蛋白水解作用，转化为外黏液层，肠道微生物群居于此。聚合的MUC2的网状结构不允许微生物轻易侵入结肠上皮。因此，在缺乏MUC2的小鼠中，由于坚固的内黏膜层破坏，许多细菌能够侵袭大肠上皮，导致自发性结肠炎。

关于内黏膜层几乎保持无菌的机制，各种抗菌分子，包括IgA和IECs产生并运输的防御素家族蛋白，都参与大肠和小肠肠道细菌的调控。但是，由于没有Paneth细胞，因此在大肠中，抗微生物分子的表达不如在小肠中高。此外，大肠的IgA +浆细胞数量和总IgA水平低于小肠。这些观察结果表明，另一个关键机制与大肠中肠道菌群和肠上皮的分离有关。在这种情况下，高度N-糖基化的GPI锚定蛋白，即Ly6 / Plaur domain containing 8（Lypd8）有助于肠道细菌和大肠上皮的分离。Lypd8锚定于肠上皮细胞的最上层，脱落进入肠腔，并优先结合有鞭毛细菌(如大肠杆菌和变形杆菌)的鞭毛，通过抑制鞭毛介导的运动抑制细菌对结肠上皮的侵袭。因此，在缺乏Lypd8的小鼠中，鞭毛微生物群数量增加，侵入结肠粘膜，导致对DSS诱导的结肠炎高度敏感性。

第二个抵御细菌入侵的屏障是IECs上的多糖-蛋白质复合物，它是糖脂或糖蛋白的碳水化合物部分的网状结构，包括跨膜黏液，如MUC1、MUC13和MUC17(小鼠Muc3的同系物)。这些跨膜黏液保护肠道组织免受肠道细菌病原体的侵袭。事实上，MUC1缺陷小鼠对空肠弯曲杆菌和幽门螺杆菌感染表现出很高的敏感性。在幽门螺杆菌感染的情况下，蛋白酶裂解的MUC1作为诱骗物，阻止幽门螺杆菌附着在上皮细胞。此外，敲除MUC13增加产毒大肠杆菌对IECs的附着，表明MUC13也保护宿主免受病原菌的粘附。此外，MUC17水平的降低与渗透性增加和肠道侵袭性大肠杆菌的细菌入侵增强有关。编码岩藻糖基转移酶2的FUT2被确定为克罗恩病的易感基因。缺乏Fut2的小鼠非常容易感染病原菌，而Fut2介导岩藻糖转移至细胞表面糖蛋白聚糖末端的半乳糖上。

肠道菌群的第三个物理屏障涉及细胞连接，包括紧密连接和粘附连接，连接上皮细胞并调节上皮细胞极性和细胞间隙中溶质和液体的携带细菌运动，这些细胞连接实际上阻碍微生物通过细胞旁途径的入侵。紧密连接由claudins、occludins和细胞内的zonula occludens蛋白组成。Claudins是一个四聚体跨膜蛋白家族，在人类中由26个成员组成。小鼠肠道基因表达分析显示，claudin-2、-3、-7和-15基因在肠道中高表达。缺乏这些claudins的小鼠表现出高的细胞旁通透性，由于包括细菌成分在内的管腔内容物的渗漏，导致肠道炎症，并增加细胞旁的有机溶质通量。

综上所述，IECs构建的粘膜屏障由各种类型的物理和化学屏障分子组成，包括黏液素和抗菌肽。这些屏障将共生菌群与宿主免疫细胞在空间上分离，防止不必要的冲突，维持共生关系。

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