D. newyorkensis通过L-赖氨酸激活的AhR-IDO1-Kyn通路调节肠道免疫耐受

伯桢类器官

2024-03-08

导读：伯桢科学聚焦：D. newyorkensis通过L-赖氨酸激活的AhR-IDO1-Kyn通路调节肠道免疫耐受

肠道菌群，作为寄居在人体肠道内微生物群落的总称，是近年来微生物学、医学、基因学等领域最引人关注的研究焦点之一。近年来的研究逐渐揭示了肠道菌群的构成、数量、如何进入人体、如何辅助消化、如何影响肠道发育，以及肠道菌群失衡如何影响人体健康。但肠道菌群如此庞大，与人体的交互关系如此复杂，关于肠道菌群仍有诸多悬而未解的难题。

2024年2月13日，来自浙江大学动物科学学院朱书研究团队在Nature Communications杂志上发表了题为 Dubosiella newyorkensis modulates immune tolerance in colitis via the L-lysine-activated AhR-IDO1-Kyn pathway 的文章。在该文章中，研究者发现一种名为Dubosiella newyorkensis的肠道菌群及其人类同源菌Clostridium innocuum，可以通过产生短链脂肪酸和赖氨酸改善粘膜屏障损伤，从而减轻野生型小鼠、抗生素灌胃小鼠和无菌小鼠在肠炎模型中的患病程度。进一步的机制研究发现，Dubosiella newyorkensis产生的L-赖氨酸通过激活树突细胞中的AhR-IDO1-Kyn代谢回路进而平衡Treg / Th17反应，建立Treg介导的免疫抑制微环境。这种代谢回路可能成为炎症性肠病的治疗靶点。

图1 D. newyorkensis通过L-赖氨酸激活的AhR-IDO1-Kyn通路调节肠道免疫耐受

首先，研究者分别使用氨苄西林、万古霉素、新霉素和甲硝唑以及四种抗生素联用的形式(Abx)给野生型C57BL/6J（B6）小鼠灌胃以去除小鼠肠道菌群，然后通过DSS诱导结肠炎。他们发现新霉素处理组的小鼠具有较好的结肠炎缓解效果，表现为体重下降最少，结肠长度最长，促炎因子的表达水平降低。接着，研究者将新霉素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处理组小鼠，同样观察到小鼠的结肠炎表型显著改善。随后，通过对不同处理组造模后的肠道粪便的16S rRNA测序分析，研究者发现新霉素组小鼠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粘膜屏障损伤。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（图2）。

图2 D. newyorkensis减轻小鼠在DSS模型中的肠道炎性反应和肠道粘膜屏障损伤

在机制研究方面，研究者通过对造模后的肠道组织的RNA-seq数据分析发现Dub定植组小鼠肠道炎症信号下调。并且在灌胃Dub组小鼠的结肠固有层、肠系膜淋巴结中CD25⁺Foxp3⁺Treg细胞增多，IL-17⁺CD4⁺T细胞数量减少。进一步的实验发现Dub的代谢产物丙酸盐可以通过与细胞膜上的G蛋白偶联受体43（G protein receptor 43, GPR43）结合调控肠道中的cTreg细胞数量。但是当研究者分别给Gpr43^-/-小鼠定植Dub和丙酸盐再造模时，尽管两组小鼠患病程度相近，但Dub定植的小鼠仍具有部分上调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非靶向代谢组学分析，发现色氨酸(Trp)代谢中的犬尿氨酸(Kyn)途径显著增强。研究者发现犬尿氨酸灌胃小鼠可以减轻小鼠的肠道炎症，并伴随CD25⁺Foxp3⁺Treg细胞数量增多。色氨酸在肠道上皮细胞或免疫细胞中可以通过IDO1（吲哚胺-2,3-二氧化酶1）代谢形成犬尿氨酸。研究者发现在造模的第1天、第3天、第5天，与对照组相比，IDO1表达量在定植Dub组小鼠结肠中更高，且血液中的犬尿氨酸含量也更高。进一步检测到Ido1在定植Dub小鼠的肠道固有层中表达更高，在上皮细胞中无差别。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，不影响其在肠道上皮类器官中的表达。以上研究表明，Dub定植促进树突细胞中IDO1表达，增强色氨酸代谢，使树突细胞产生更多的犬尿氨酸，调控Treg/Th17平衡，减轻小鼠炎症反应（图3）。

图3 D. newyorkensis通过促进树突细胞中IDO1介导的Trp代谢增加肠道中CD25⁺ Foxp3⁺ Treg细胞数量

那么，Dub的代谢产物如何影响树突细胞中IDO1表达呢？通过对Dub培养上清的非靶向代谢组学分析，研究者发现N-乙酰基-L-天冬氨酸（NAA）、L-赖氨酸（Lys）、L-乳酸（Lac）、L-α-氨基丁酸（Abu）和酮亮氨酸（4-MOV）5种代谢产物在上清中浓度较高。体外实验发现Lys和4-MOV促进BMDC表达Ido1。Lys和4-MOV灌胃能够引起WT小鼠结肠中Ido1表达升高。Lys和Lac可显著减轻WT小鼠肠炎。但Lys不能促进Ido1^-/-小鼠BMDC中犬尿氨酸/色氨酸比例，也不能减轻Ido1^-/-小鼠和Foxp3-DTR的肠炎（图4）。

图4 L-赖氨酸通过促进树突细胞中IDO1表达增强色氨酸代谢，建立Treg介导的免疫抑制微环境

在对Lys处理后的BMDC的转录组学分析中，研究者发现AhR（芳烃受体）信号通路上调，包括Ahr及下游基因表达升高。他们发现Lys促进AhR入核及在细胞核中的累积，而Lys促进Ido1表达的作用可被AhR受体拮抗剂(CH-223191)所抑制。在小鼠实验中，研究者发现同时使用Lys和CH-223191处理小鼠不能促进小鼠结肠固有层中Ido1的表达，小鼠肠炎不会被减轻，CD25⁺Foxp3⁺Treg细胞数量也不会增加。以上的实验结果表明，L-赖氨酸通过激活AhR受体促进IDO1表达，减轻小鼠肠炎（图5）。

图5 L-赖氨酸通过激活树突细胞中的AhR-IDO1轴诱导Treg介导的免疫抑制作用

最后，研究者发现 D. newyorkensis 的人类同源菌C. innocuum（以下简称Clos）可通过上调人源树突细胞的IDO1，诱导免疫耐受。通过对已公开的IBD队列和健康对照组的肠道宏基因组数据集进行比对，研究者发现IBD患者尤其是UC患者的Clos明显降低。同时，研究者还发现Clos可以产生Lys，促进树突细胞表达Ido1。在动物实验中发现Clos定植或Clos上清灌胃均可减轻WT小鼠的肠炎，增加CD25⁺Foxp3⁺Treg细胞数量，而这种作用在Ido1^-/-小鼠中不会出现。

综上，研究者发现Dubosiella newyorkensis及其人类同源菌Clostridium innocuum，可以通过代谢产物L-赖氨酸激活树突细胞中的AhR-IDO1-Kyn代谢回路，平衡Treg / Th17反应，建立Treg介导的免疫抑制微环境，减轻肠道炎性反应和肠道粘膜损伤。

伯桢生物，助力科学研究：

在本文的机制研究中，研究者利用伯桢小鼠肠道类器官培养试剂盒（K2001-MI, K2204-MC）成功构建出小鼠小肠和小鼠结肠类器官。在体外实验发现Dub的培养上清不能促进类器官中Ido1的表达，排除了是肠道上皮细胞中的色氨酸代谢途径增强影响肠道中CD25⁺ Foxp3⁺Treg细胞数量，从而使研究者将研究对象锁定在树突细胞上。

▍以上内容来自伯桢生物编辑部

撰文：李

编辑：噗啦啦啦啦

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