5月14日，國際學(xué)術(shù)期刊Nature在線發(fā)表了中國科學(xué)院分子細(xì)胞科學(xué)卓越創(chuàng)新中心（生物化學(xué)與細(xì)胞生物學(xué)研究所）宋昕陽研究組與中國科學(xué)院上海營養(yǎng)與健康研究所錢友存研究組的合作研究成果：“Targeting symbionts by apolipoprotein L proteins modulates gut immunity”。該研究首次闡明了宿主腸道上皮來源的載脂蛋白APOL家族分子（人：APOL2，鼠：APOL9a/b）與共生擬桿菌神經(jīng)酰胺1-磷酸分子 (ceramide-1-phosphate, Cer1P) 結(jié)合所觸發(fā)的腸道多細(xì)胞協(xié)同互作新機(jī)制及其維持黏膜免疫穩(wěn)態(tài)運行的關(guān)鍵作用。
腸道黏膜免疫系統(tǒng)的成熟伴隨著宿主復(fù)雜防御機(jī)制的發(fā)展，以應(yīng)對來自內(nèi)源共生微生物和外源入侵病原微生物的免疫挑戰(zhàn)。腸道上皮屏障表面覆蓋有糖基化修飾粘蛋白形成的凝膠狀保護(hù)層，其中富含由上皮細(xì)胞來源的抗菌肽分子以及漿細(xì)胞分泌的抗體分子。最近研究也發(fā)現(xiàn)腸道基質(zhì)細(xì)胞會向腸腔分泌補體分子以清除入侵的病原微生物。以上這些腸道防御因子可與革蘭氏陽性或陰性的某些微生物結(jié)合，從而維持宿主與腸道微生物之間的互作平衡。但是，這些宿主分子的靶向特異性并不具有微生物系統(tǒng)發(fā)育的偏好性。因此，宿主是否能進(jìn)化出選擇性針對特定共生微生物成員的互作策略，以及這種免疫-微生物互作如何促進(jìn)腸道免疫系統(tǒng)的發(fā)育和功能仍有待探索。
為此，研究團(tuán)隊通過比較正常小鼠與無菌小鼠腸道粘液層蛋白質(zhì)譜，并結(jié)合正常小鼠中結(jié)合腸道共生微生物的宿主蛋白質(zhì)譜進(jìn)行聯(lián)合分析，發(fā)現(xiàn)一類此前未受關(guān)注的新型微生物結(jié)合蛋白APOL9a/b。后續(xù)研究揭示APOL9a/b分子由小鼠腸上皮吸收細(xì)胞 (enterocyte) 分泌，且其表達(dá)受到微生物依賴的干擾素信號通路調(diào)控。利用人體腸道單細(xì)胞測序與蛋白序列進(jìn)化分析，研究團(tuán)隊同時發(fā)現(xiàn)人源APOL1-4分子與APOL9a/b同源，且APOL2在人腸上皮吸收細(xì)胞中表達(dá)最高。隨后，通過將微生物流式分選與16S rRNA測序相結(jié)合，研究團(tuán)隊開發(fā)了APOL9a-seq技術(shù)，并發(fā)現(xiàn)APOL9a主要與小鼠腸道擬桿菌目細(xì)菌特異性結(jié)合。同時，研究團(tuán)隊通過流式技術(shù)也發(fā)現(xiàn)鼠源APOL9a/b與人源APOL2分子對于人腸道擬桿菌菌株顯示同樣的選擇性結(jié)合能力。這種高度特異性的互作方式提示其在宿主-微生物共進(jìn)化過程中具有重要意義。后續(xù)機(jī)制研究揭示在生理條件下這些APOL家族分子并不具有明顯的抗菌肽活性，但可通過與擬桿菌Cer1P分子結(jié)合以誘導(dǎo)其菌膜壓力從而促使大量外膜囊泡 (outer membrane vesicles, OMVs) 的分泌。共生菌來源的OMVs具有先天免疫原性，可通過誘導(dǎo)腸道IFNg的產(chǎn)生來促進(jìn)腸上皮細(xì)胞MHC-II分子的表達(dá)，并最終介導(dǎo)了一類特殊CD4+CD8αα+腸上皮間T淋巴細(xì)胞（intraepithelial lymphocyte, IEL）的分化發(fā)育。而APOL9-Cer1P特異性互作介導(dǎo)的OMVs-IFNg-MHC-II-IEL軸對于宿主的抗感染免疫至關(guān)重要。
綜上，研究團(tuán)隊的這項工作發(fā)現(xiàn)了一種新型的宿主-微生物共進(jìn)化協(xié)作模式，并闡明了腸上皮細(xì)胞來源的微生物靶向蛋白APOL家族分子通過與擬桿菌Cer1P分子選擇性結(jié)合，以增強(qiáng)宿主黏膜免疫的多細(xì)胞協(xié)同互作機(jī)制。利用微生物基因編輯技術(shù)與無菌小鼠模型以及多組學(xué)技術(shù)，宋昕陽研究員和合作者近年來的系列工作揭示了多種共生微生物來源的生物活性小分子（如新型脂肪酸及氨基酸類代謝分子等）維持腸道黏膜穩(wěn)態(tài)的分子細(xì)胞機(jī)制。相關(guān)研究工作發(fā)表于Nature（2023）、 Immunity（2023）及Cell Host & Microbe（2024）等學(xué)術(shù)期刊。
中國科學(xué)院上海營養(yǎng)與健康研究所副研究員楊濤，博士研究生胡孝虎，分子細(xì)胞卓越中心博士研究生曹飛為本文的共同第一作者。上海營養(yǎng)與健康研究所錢友存研究員與分子細(xì)胞卓越中心宋昕陽研究員為共同通訊作者。美國哈佛醫(yī)學(xué)院Dennis L. Kasper院士，清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院梁冠翔教授，分子細(xì)胞卓越中心石建濤研究員及上海營養(yǎng)與健康研究所胡國宏研究員參與該項研究。分子細(xì)胞卓越中心生信平臺、化學(xué)生物學(xué)平臺，上海營養(yǎng)與健康研究所公用平臺，上海交通大學(xué)流式平臺，腦智卓越中心電鏡平臺，上海免疫與感染研究所動物平臺，中科脂典公司及諾米代謝公司提供了相關(guān)技術(shù)支持。該項工作得到科技部國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金委、中國科學(xué)院B類先導(dǎo)專項、中國科學(xué)院“未來伙伴網(wǎng)絡(luò)專項”以及上海市科委等部門的經(jīng)費支持。
共生微生物調(diào)控腸道上皮間淋巴細(xì)胞發(fā)育與功能的多細(xì)胞協(xié)同互作機(jī)制
文章鏈接: https://doi.org/10.1038/s41586-025-08990-4
