眾所周知，幾乎所有動(dòng)物都遵循與日照相關(guān)的晝夜節(jié)律。自然光的周期變化會(huì)帶動(dòng)飲食和睡眠等有「節(jié)律」的行為。

生物鐘使動(dòng)物體的生理過(guò)程與晝夜光周期同步，從而可以預(yù)測(cè)環(huán)境的變化。在哺乳動(dòng)物中，生物鐘是由復(fù)雜的轉(zhuǎn)錄因子網(wǎng)絡(luò)，在 24 小時(shí)的周期內(nèi)驅(qū)動(dòng)基因「有節(jié)律」的表達(dá)而實(shí)現(xiàn)的。生物鐘幾乎存在于機(jī)體所有組織中，并通過(guò)來(lái)自大腦「中央時(shí)鐘」的神經(jīng)元和激素信號(hào)與實(shí)現(xiàn)與環(huán)境光周期的同步。

腸道中的許多生物過(guò)程均表現(xiàn)出由生物鐘產(chǎn)生的日常節(jié)律效應(yīng)。然而，腸道的獨(dú)特之處在于它的許多晝夜節(jié)律同樣也需要腸道微生物群的參與。例如，微生物群與生物鐘協(xié)調(diào)，在控制脂質(zhì)代謝的基因表達(dá)中產(chǎn)生節(jié)律。

攝食過(guò)程中動(dòng)物會(huì)接觸環(huán)境中或與食物有關(guān)的微生物，因此進(jìn)食行為也會(huì)對(duì)食源性病原體產(chǎn)生有「節(jié)律」的接觸。為了防止感染，哺乳動(dòng)物腸道上皮會(huì)產(chǎn)生先天免疫效應(yīng)物，包括抗菌蛋白（AMP）。這表明腸道先天免疫同樣可能表現(xiàn)出「晝夜節(jié)律」特征。

盡管近年來(lái)相關(guān)研究對(duì)微生物群-時(shí)鐘相互作用如何調(diào)節(jié)代謝的了解越來(lái)越多，但我們對(duì)這些相互作用如何調(diào)節(jié)腸道先天免疫知之甚少。

在最近一項(xiàng)研究中，來(lái)自美國(guó)德克薩斯大學(xué)西南醫(yī)學(xué)中心的 Lora V. Hooper 課題組揭示了腸道微生物群和生物鐘協(xié)調(diào)產(chǎn)生腸道先天免疫的晝夜節(jié)律。相關(guān)結(jié)果發(fā)表在最近的 Cell 雜志上。

該研究發(fā)現(xiàn)節(jié)律性的宿主進(jìn)食行為導(dǎo)致分段絲狀細(xì)菌（SFB）在腸道表面的附著產(chǎn)生節(jié)律。而節(jié)律性的 SFB 附著則進(jìn)一步驅(qū)動(dòng)上皮 STAT3 的表達(dá)和激活，從而調(diào)節(jié)上皮 AMP 表達(dá)并產(chǎn)生晝夜節(jié)律振蕩特征。這些先天免疫節(jié)律導(dǎo)致對(duì)鼠傷寒沙門氏菌感染的抵抗力在晝夜循環(huán)中發(fā)生變化。

研究?jī)?nèi)容

1. 微生物群影響腸道抗菌蛋白表達(dá)的晝夜節(jié)律

首先，作者檢查了再生胰島衍生蛋白3γ（REG3G）在腸道先天免疫系統(tǒng)中的節(jié)律性表達(dá)。REG3G 由小腸上皮分泌并具有殺傷革蘭氏陽(yáng)性菌的能力。

研究發(fā)現(xiàn)，Reg3g 基因及其編碼蛋白（REG3G）的表達(dá)在常規(guī)小鼠中呈晝夜節(jié)律性，在 Zeitgeber 時(shí)間（ZT）0 時(shí)的表達(dá)低于 ZT12，其中 ZT0 時(shí)出現(xiàn)光照，ZT12 光照熄滅。此外，在所有時(shí)間點(diǎn)，無(wú)菌小鼠的 REG3G 表達(dá)均較低，并且沒(méi)有節(jié)律性。因此，REG3G 表達(dá)被認(rèn)為具有晝夜節(jié)律，并且維持該節(jié)律性特征需要微生物群的參與。

除此之外，作者還發(fā)現(xiàn)其它上皮 AMP 也表現(xiàn)出節(jié)律性表達(dá)的特征。其中包括：lipocalin-2 (LCN2)，一種限制細(xì)菌鐵獲取的 AMP；以及 S100A8，一種限制細(xì)菌鈣獲取的 AMP。

相比之下，其它先天免疫基因的表達(dá)則是無(wú)節(jié)律的，其中包括：Lyz1，負(fù)責(zé)編碼溶菌酶；以及產(chǎn)生活性氮物種 (Nos2) 和粘液 (Muc2) 所必需的基因。因此，研究表明多種 AMP 具有節(jié)律性表達(dá)的特征，但不是腸道先天免疫系統(tǒng)的普遍特征。

2. 分段絲狀細(xì)菌（SFB）的「節(jié)律性上皮附著」驅(qū)動(dòng)抗菌蛋白表達(dá)的晝夜節(jié)律產(chǎn)生

接下來(lái)，作者試圖確定驅(qū)動(dòng) AMP 節(jié)律性表達(dá)的微生物群成分。

小鼠小腸表面的掃描電子顯微鏡（SEM）結(jié)果顯示了許多具有分段絲狀形態(tài)的附著細(xì)菌（SFB）。SFB 是存在于嚙齒動(dòng)物、非人類靈長(zhǎng)類動(dòng)物和人類腸道微生物群中的革蘭氏陽(yáng)性菌。SFB 具有獨(dú)特的形態(tài)，其特征是長(zhǎng)而分段的細(xì)絲，并且具有緊密附著于腸上皮細(xì)胞并刺激宿主基因表達(dá)的獨(dú)特能力。

為了測(cè)試 SFB 是否在 REG3G 表達(dá)中產(chǎn)生節(jié)律，作者研究了來(lái)自兩個(gè)不同供應(yīng)商的小鼠：Taconic Farms 小鼠和 Jackson Laboratory 小鼠。SFB 存在于 Taconic 但不存在于 Jackson 小鼠中。研究結(jié)果顯示，REG3G 表達(dá)在 Taconic 小鼠中是有節(jié)律的，而 Jackson 來(lái)源的小鼠則沒(méi)有上述現(xiàn)象。這一結(jié)果表明 SFB 可能驅(qū)動(dòng)了腸上皮中 REG3G 有節(jié)律的表達(dá)。

進(jìn)一步，掃描電鏡結(jié)果揭示了具有 SFB 定植的小鼠小腸表面存在有規(guī)律的 SFB 附著現(xiàn)象，并且于 ZT12 其附著量達(dá)到頂峰，與 REG3G 表達(dá)的峰值一致。相反地，Jackson 來(lái)源的小鼠的小腸表面則沒(méi)有 SFB 附著。

之后，作者通過(guò) SFB+ 和 SFB- 小鼠的共飼養(yǎng)操作將 SFB 引入 SFB- 小鼠，結(jié)果顯示，該處理能夠?qū)е掠泄?jié)律的細(xì)菌附著和 REG3G 表達(dá)的震蕩。這些發(fā)現(xiàn)表明有節(jié)律的 SFB 附著到小腸上皮驅(qū)動(dòng)抗菌蛋白表達(dá)的晝夜節(jié)律。

接下來(lái)，作者還考慮了 REG3G 表達(dá)是否可能反過(guò)來(lái)驅(qū)動(dòng)有節(jié)奏的 SFB 附著。其原因是如果 REG3G 能夠殺死 SFB 或與 SFB 競(jìng)爭(zhēng)小腸上皮附著的細(xì)菌，就會(huì)導(dǎo)致上述情況的發(fā)生。

然而，實(shí)驗(yàn)結(jié)果不支持該想法。首先，峰值 SFB 附著與峰值 REG3G 表達(dá)一致。其次，SFB 附著在 Reg3g 缺陷型小鼠中同樣保持晝夜節(jié)律。這些數(shù)據(jù)表明 REG3G 不會(huì)驅(qū)動(dòng) SFB 的節(jié)律性附著。

3. ILC3-STAT3 信號(hào)驅(qū)動(dòng) REG3G 的節(jié)律性表達(dá)

REG3G 表達(dá)需要通過(guò) Toll 樣受體（TLR）和 下游信號(hào)分子 MYD88 進(jìn)行信號(hào)傳遞。研究表明，相比野生型小鼠，Myd88-/-小鼠體內(nèi) REG3G 在 ZT0 和 ZT12 處的表達(dá)都很低。

盡管 Myd88 在腸上皮細(xì)胞對(duì)有規(guī)律的 REG3G 表達(dá)來(lái)說(shuō)不是必需的，但在 CD11c+ 髓樣細(xì)胞中卻是必需的：CD11c+ 細(xì)胞和 ILC3 的免疫細(xì)胞信號(hào)通路驅(qū)動(dòng)包括 Reg3g 在內(nèi)的上皮基因的表達(dá)。在該回路中，CD11c+細(xì)胞 TLR-MYD88 信號(hào)觸發(fā)白細(xì)胞介素 (IL)-23 的產(chǎn)生，從而引發(fā) ILC3 產(chǎn)生 IL-22。IL-22 激活上皮細(xì)胞 STAT3 以驅(qū)動(dòng) Reg3g 表達(dá)。

SFB 的上皮附著觸發(fā) ILC3-STAT3 并刺激包括 Reg3g 在內(nèi)的基因的表達(dá)。CD11c+ 細(xì)胞中 Myd88 的必要性表明 SFB 可能通過(guò) ILC3-STAT3 途徑產(chǎn)生 REG3G 節(jié)律。

為了測(cè)試是否需要 ILC3 的參與，作者研究了缺乏編碼 RAR 相關(guān)孤兒受體γ (RORγt) 的 Rorc (Rorcgfp/gfp) 小鼠。RORγt 是一種轉(zhuǎn)錄因子，控制著產(chǎn)生 IL-22 的細(xì)胞的發(fā)育，包括 ILC3、Th17 細(xì)胞和 γδT 細(xì)胞。研究表明，Rorcgfp/gfp 小鼠中的 REG3G 表達(dá)在 ZT0 和 ZT12 處均較低，表明產(chǎn)生 IL-22 的細(xì)胞在驅(qū)動(dòng) REG3G 節(jié)律方面具有重要作用。

然而，在缺乏重組激活基因 1（Rag1）的小鼠中，REG3G 表達(dá)在 ZT0 處較低，在 ZT12 處較高。在該基因型小鼠中，缺乏成熟的 T 和 B 細(xì)胞，但保留 ILC3，因此這些發(fā)現(xiàn)排除了 Th17 和 γδT 細(xì)胞的可能性，提示是 ILC3 促進(jìn) REG3G 的節(jié)律性表達(dá)。

為了測(cè)試 REG3G 的規(guī)律性表達(dá)是否需要 STAT3，作者構(gòu)建了上皮細(xì)胞特異性 Stat3 缺陷型小鼠——Stat3ΔIEC 小鼠。研究表明，該小鼠中 REG3G 的表達(dá)水平在 ZT0 和 ZT12 處均較低，表明 STAT3 是 REG3G 節(jié)律所必需的。

同樣，在 Stat3ΔIEC 小鼠中，S100A8 和 LCN2 在 ZT0 和 ZT12 處的表達(dá)都很低，表明上皮 STAT3 也是多種 AMP 的節(jié)律表達(dá)所必需的。

之后，作者通過(guò)一系列實(shí)驗(yàn)證明了 SFB 驅(qū)動(dòng) STAT3 表達(dá)的晝夜節(jié)律的產(chǎn)生，而生物鐘在調(diào)控 SFB 的節(jié)律性腸上皮附著中也起著重要的作用。作者發(fā)現(xiàn)，生物鐘主要通過(guò)調(diào)控動(dòng)物的進(jìn)食行為，從而達(dá)到調(diào)節(jié) SFB 規(guī)律性附著的目的。

研究總結(jié)

生物鐘通過(guò)晝夜光循環(huán)協(xié)調(diào)動(dòng)物體的各項(xiàng)生理過(guò)程，使動(dòng)物能夠預(yù)測(cè)其環(huán)境的變化。在這項(xiàng)研究中，作者表明生物鐘同樣能夠協(xié)調(diào)腸道先天免疫與宿主進(jìn)食節(jié)律，從而有助于預(yù)測(cè)食源性細(xì)菌的暴露風(fēng)險(xiǎn)。

研究發(fā)現(xiàn)：在生物鐘的影響下，宿主的進(jìn)食行為會(huì)產(chǎn)生 SFB 在腸道上皮附著的節(jié)律性變化，而 SFB 的節(jié)律性附著能夠刺激髓樣細(xì)胞中 ILC3 免疫信號(hào)回路，驅(qū)動(dòng)上皮 STAT3 表達(dá)和激活。STAT3 的節(jié)律性激活導(dǎo)致抗菌蛋白的振蕩表達(dá)，包括 REG3G、LCN2 和 S100A8。 通過(guò)這種方式，宿主進(jìn)食節(jié)律與腸道先天免疫節(jié)律達(dá)成了同步。

除飲食之外，該研究還突出了健康作息對(duì)于預(yù)防腸道病原體感染的意義。此前研究發(fā)現(xiàn)：慢性睡眠中斷與人類感染的易感性增加有關(guān)。 例如，與白天工作的人相比，晚上工作的人對(duì)細(xì)菌和病毒感染的易感性更高。 本研究結(jié)果表明，進(jìn)食行為的改變可能是其中一個(gè)潛在的致病因素。

通過(guò)確定生物鐘驅(qū)動(dòng)微生物群功能晝夜節(jié)律的機(jī)制，可以進(jìn)一步闡明微生物群的節(jié)律功能如何影響宿主免疫。這些研究可能會(huì)為定時(shí)治療干預(yù)和疫苗接種方案的開發(fā)提供新的思路。(生物谷世聯(lián)博研Bioexcellence）

小編推薦會(huì)議  2021年(第七屆) 腸道微生態(tài)與健康國(guó)際研討會(huì)

http://meeting.世聯(lián)博研Bioexcellence/2021MicIntestin