原文： Gut microbiota, metabolites and host immunity
- Nat Rev Immunol. 2016 May 27; 16(6): 341–352.
- doi: 10.1038/nri.2016.42 PMCID:
原文链接： https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5541232/
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摘要：
微生物群（生活在所有哺乳动物体内和之上的微生物的集合）为免疫系统的发育和功能提供了至关重要的信号。 能够描述微生物群落的技术的可用性不断提高，这便利了许多免疫学家进入宿主微生物群研究不断发展的领域。 微生物群落，它们的代谢产物和组分不仅是免疫稳态所必需的，而且还影响宿主对许多免疫介导的疾病和病症的敏感性。
在这篇综述中，我们讨论了研究微生物组的技术和计算方法，以及我们对宿主免疫和微生物共生的了解的最新进展，重点是特定的微生物代谢产物，细菌成分和免疫系统。哺乳动物拥有广泛多样且活跃的微生物群落。 通过持久的互惠伙伴关系，宿主已进化为协调和整合保守的代谢信号，微生物感测和免疫反应途径，以确保其在微生物为主的世界中生存。 宿主与其微生物群之间的这种动态串扰对于实现和维持体内平衡非常重要。 如果或由于对话对微生物群或宿主的干扰而导致对话无法进行，则会发生营养不良。 ·研究继续确立改变的微生物组在胃肠道内外的人类疾病和疾病以及临床前模型中的作用（表1）。
表1：与疾病有关的微生物代谢物或成分
在表征单个微生物物种和复杂微生物群落的组成和功能方面的最新进展揭示了微生物代谢对于宿主免疫系统的重要性。 ·“健康”微生物组通过微生物表面抗原和代谢产物提供了至关重要的分子线索，这对于免疫组织的成熟和免疫应答的微调至关重要。 在这里，我们回顾了可用于鉴定共生微生物菌株，微生物来源的成分和代谢产物的技术，并讨论了它们在塑造宿主免疫系统中的作用。
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研究微生物组
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表征微生物组组成:
高通量DNA测序技术的出现（最初是通过基于细菌和古细菌16S核糖体RNA扩增子序列的读段聚类，现在是通过将整个基因组与生活的所有域对齐）来实现的，无需培养即可直接分类样品。 这些技术进步为从各种环境中分析复杂的微生物群落提供了可靠的方法，并分析了随着时间的推移群落结构的变化。 虽然微生物组的组成因人而异，有时在个体内波动很大，但核心特征存在于定居于人体的微生物群落中。每个身体栖息地在空间上都是不同的，并以特定的门类为主导，并具有特定生态位的微生物群，其丰富度和分布在整个解剖部位2。 在肠道中，微生物种类的数量和多样性从胃部到结肠呈纵向增长[3,4]，其中结肠是最密集和代谢活跃的群落（包含1013个以上的单个微生物细胞） 。 人们对个体内和个体间微生物多样性的重视程度正在影响着微生物组的研究方式，从对微生物群落成员的描述性研究到对微生物对健康和疾病的功能性贡献的更多机理研究，都发生了变化。
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研究微生物组功能
整个宏基因组学和超转录组测序工作（来自cDNA文库）正在定义微生物群落的功能潜力和实时活性，并揭示了微生物代谢与宿主发育之间的相互作用。 剖析微生物组的调控和动态以及宿主基因表达模式的能力揭示了微生物群落的功能如何影响宿主6，反之，宿主遗传学如何影响微生物组的组成和功能7。 此外，同时测序宿主和微生物组的元基因组和转录组，可深入了解宿主-微生物群的共生机制以及健康个体和患病个体之间的差异。 此外，鉴定和重建基因进入更广泛的生物学途径的工具的发展已使微生物组的功能特征分为对宿主健康必不可少的不同但相关的类别8（专栏1）。
Box1:
HUMAnN，人类微生物组计划统一代谢分析网络；
LEfSe，带有效应大小的线性判别分析；
MaAsLin，线性模型的多元关联；
MetaPhlAn，元基因组系统发育分析；
PICRUSt，通过未观察到的国家重建对社区进行的系统发育研究；
rRNA，核糖体RNA。
研究宿主-微生物组相互作用的技术和工具 :随着高通量测序的发展以及用于分析高复杂度数据的计算工具的发展，对微生物组的深入研究成为可能。 微生物DNA或RNA可以被处理成用于高通量测序的下一代测序（NGS）库，并且可以使用计算工具来实现对微生物群落的后续分析，例如对微生物生态学的定量认识（QIIME；来自Knight实验室）。 mothur（Schloss实验室），bioBakery分析工具（Huttenhower实验室）和其他用于分析微生物生态的软件包（Alm Lab）（见图）。
为鉴定单个细菌种类，选择性富集感兴趣的基因组靶标的杂交方法已用于各种研究，并已成功用于捕获罕见，古老且难以获得的DNA和cDNA101-104。 该技术涉及使用合成的寡核苷酸探针或以目的DNA序列为诱饵的PCR产物，从NGS文库中基于阵列或基于溶液的目标同源DNA片段捕获。
选择与诱饵序列同源的文库片段，然后对其进行测序和分析。 尽管该技术提高了从稀有物种中恢复整个基因组和转录组的能力，但仍然受到对靶序列先验知识的需求的限制105。
单个微生物细胞的表征和定量可以使用流式细胞仪和串联质谱法来测量代谢活性106。
·这种单细胞策略可以分析细胞之间的功能变异并发现新的调节机制。
·然而，仍然很难对来自异质群落的单个细胞进行分类并以足够的深度进行采样以检索具有生物学意义的数据。 尽管有这些限制，但这些测序策略仍可以将宿主序列污染降至最低，降低组装基因和单个基因组的难度，并降低扩增偏倚107，这通常阻碍了对多种微生物群落的分析。
归因和方向性
- 灵长类动物模型-包括无菌小鼠和具有明确微生物群落的小鼠-是阐明微生物组在健康和疾病中功能的极有价值的系统（专栏2）。 的确，使用gnotobiotic动物已经导致了对肠道微生物组在肠道内和肠道外免疫介导疾病中的作用的重要见解9-18。 此外，现在有可能通过移植人的肝脏和胸腺组织，并将人的造血干细胞注入免疫缺陷的小鼠宿主中，在这些模型中重建功能正常的人免疫系统。 骨髓-肝-胸腺人源化小鼠（BLT人源化小鼠）形成了与肠道相关的淋巴样组织（GALT）样结构，其中包含所有人类造血谱系，因此提供了一种体内系统，可以更准确地研究粘膜界面的人类免疫反应
·以及炎症和自身免疫性疾病的发展20。 - 像所有动物模型系统一样，致癌生物和人源化动物如何很好地概括人类疾病的发展复杂性是有局限性的，尤其是考虑到肠道微生物组的异质性时。
·但是，致癌和人源化的小鼠模型都将继续成为重要的系统，以了解疾病发生和发展过程中宿主与微生物组的通讯，以及评估操纵微生物组以预防和治疗疾病的治疗策略。
Box2
- 促生素
·无胚动物已被广泛用于研究微生物（无论是单个物种还是特定的群落）对宿主发育和疾病发病机理的贡献108。 通过将具有特定微生物群落或来自哺乳动物宿主的细菌组成的无菌动物定殖，可以产生人为生物的动物。 无细菌的动物具有独特的代谢表型，包括比传统的动物有更多的卡路里消耗，更多的脂质排泄和体重减轻的趋势。 无菌小鼠的微生物定植可纠正代谢功能的缺陷，并从饮食中更有效地提取能量110。 无胚动物也具有严重的免疫缺陷和更高的感染易感性。 这些缺陷在肠道中最为明显，那里的肠道相关淋巴样组织（GALT）发育不全，包括越来越少的Peyer斑块和肠系膜淋巴结，隐窝形态改变和粘液厚度减少111,112。 在细胞水平上，无菌小鼠的B细胞分泌的IgA分泌量减少，这是在粘膜部位维持屏障完整性的重要抗体113。 此外，在无菌小鼠中，脾脏CD4 + T辅助细胞亚群之间的平衡偏向T辅助2（TH2）细胞表型，TH1细胞较少且过敏反应增强83。 无胚小鼠的外周CD4 + T细胞（包括TH17细胞114和调节性T细胞115）的数量也减少了，这是由于促炎性白介素17（IL-17）和抗炎性IL的产生，它们是粘膜免疫的有效介体。
·-10分别
·无菌小鼠的定居可以挽救TH1-TH2细胞的失衡，并导致外周CD4 + T细胞数量迅速增加至常规小鼠中所见的水平116，这表明微生物群对于维持全身性和粘膜T细胞群是必需的。 无胚动物也表现出行为和压力反应改变。 ·新兴证据将这些差异归因于多巴胺，去甲肾上腺素和血清素等分子水平的降低，这对肠神经系统的发育和下丘脑-垂体-肾上腺（HPA）轴的信号传导至关重要。
·通过使用gnotobiotic小鼠，现在认为HPA功能在发展的关键时期取决于微生物组组成和定植。 -
分析生化活性和结构
·基于质谱和基于色谱的技术已经存在了一个多世纪。 ·然而，它们只是在最近才被用于宿主-微生物组研究22-24。 有针对性和无针对性的代谢组学和蛋白质组学策略都有望揭示合成，工程和天然微生物群落的化学多样性和全部生化能力。 然而，这些技术提出了许多与样品，尤其是粪便材料的提取和处理有关的实验挑战[25,26]。 随着技术障碍的克服，数据分析将继续扩大我们对微生物组对宿主生理学广泛影响的知识，为开发和测试诊断方法和治疗方法提供机会。
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靶向微生物组
·鉴于微生物群落的丰富和多样性，重要的是分析这些群落中的单个物种和菌株及其相关功能，特别是对于未经培养或低丰度的微生物27。 可以使用分配菌株特异性并从整个宏基因组测序数据中组装单个基因组的工具来实现这一目标[28,29]，或者使用涉及稀有物种或单个微生物细胞的分离和测序的混合捕获和单细胞方法来实现（专栏1）。
·这些方法的前景促使人们寻求改进的微流控平台和软件应用程序，这些平台和软件应用程序可以更准确地捕获和分析微生物组多样性，并增强对单个成员的遗传变异和功能贡献的了解30。
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宿主－微生物相互作用的监测
·新的工具和技术的进步极大地增进了我们对复杂微生物群落及其与宿主之间的相互作用的理解，涉及饮食和生活方式的变化以及健康和疾病。 然而，关于微生物如何在原位而不是在培养中的优选环境位中彼此相互作用或与宿主细胞相互作用的知识有限。
·最近的两项研究解决了这一基本挑战。 在第一个研究中 ，将荧光原位杂交（FISH）与单细胞成像和定量分析软件结合使用以测量肠道菌群的空间组织。 对饮食扰动对肠道菌群和宿主的影响进行检查后发现，缺乏纤维的饮食会导致小鼠体内肠道粘液层减少。
·该保护层的缺失使细菌更靠近上皮，进而触发了抗微生物肽（AMP）的宿主产生，该肽可再生胰岛衍生的蛋白质3β（REG3β）。 缺乏微生物可及的碳水化合物极大地改变了不同细菌群的聚集模式。
尽管关于微生物的空间分布和影响微生物群落组织的因素还有很多待理解，但是这种成像和分析方法提供了一种研究宿主-微生物群落相互作用的新方法。 ·第二项研究32将代谢寡糖工程（MOE）和生物正交点击化学（BCC）与全身成像相结合，以在体内标记和跟踪细菌。 结合这些技术，研究人员可以追踪共生细菌在肠道中的分布，与其他物种竞争的能力以及与宿主细胞的相互作用。 这种方法有望用于实时研究宿主与微生物的相互作用，并获得微生物生态位特异性的“视觉证明”，以及微生物衍生产物如何调节宿主免疫系统。
代谢物的免疫调节
- 尽管宿主和微生物的新陈代谢可以同时发生，但宿主依赖于其微生物组来扩展消化和代谢酶的收集范围33。 肠道菌群通过到达结肠的外源未消化饮食成分以及微生物和宿主产生的内源性化合物的厌氧发酵产生极其多样化的代谢产物。 构成宿主与微生物之间粘膜界面的单层上皮细胞使微生物代谢产物能够进入宿主细胞并与宿主细胞相互作用，从而影响免疫反应和疾病风险。
短链脂肪酸
- 未消化的复杂碳水化合物是结肠中细菌发酵的丰富底物，它们的主要代谢终产物是短链脂肪酸（SCFA），包括乙酸，丁酸和丙酸。 肠道中的SCFA浓度（可能为20–140 mM）34取决于微生物群组成，肠道运输时间，SCFA宿主-微生物群代谢通量以及宿主饮食中的纤维含量。 这些微生物产生的代谢产物不仅对肠道微生物群本身而且对于肠上皮细胞（IEC）都是重要的能源。 ·除了充当产生能量的局部底物外，SCFA还具有多种调节功能，并且它们对宿主生理和免疫力的影响不断显现（图1）。
图1
SCFA，GPCR，宿主生理和免疫
·短链脂肪酸（SCFA），例如丁酸，丙酸和乙酸，是由未经消化或部分消化的膳食纤维的结肠微生物发酵产生的，对宿主免疫系统的发育和功能具有广泛的影响。 SCFA在上皮细胞和免疫细胞（未显示）的表面上结合G蛋白偶联受体（GPCR），例如GPR41，GPR43和GPR109A。 SCFA转运或扩散进入宿主细胞会导致其代谢和/或抑制组蛋白脱乙酰基酶（HDAC）活性。 SCFA的作用是多种多样的，包括增强的上皮屏障功能和免疫耐受性，它们通过特定的机制促进肠内稳态：肠道杯状细胞增粘液； 抑制核因子-κB（NF-κB）； 激活炎症小体并随后产生白介素18（IL-18）； B细胞分泌性IgA（sIgA）的分泌增加； T细胞活化分子在抗原呈递细胞如树突状细胞（DC）上的表达降低; 结肠调节性T（Treg）细胞的数量和功能增加，包括其叉头盒P3（FOXP3）的表达以及抗炎细胞因子（转化生长因子-β（TGFβ）和IL-10）的产生。 SCFA还到达其他器官，例如脑和肺，在其中它们直接或间接作用于局部或驻留的抗原呈递细胞，以分别减少与神经炎症和过敏性气道疾病有关的炎症反应。SCFA是组蛋白脱乙酰基酶（HDAC）的抑制剂和G蛋白偶联受体（GPCR）的配体，因此可作为信号分子，影响造血和非造血细胞谱系的扩增和功能。
·SCFA驱动的HDAC抑制作用倾向于促进产生耐受性，消炎的细胞表型，这对于维持免疫稳态是至关重要的，并且这种活性支持了微生物群可以作为宿主生理的表观遗传调节剂的概念。 外周血单核细胞和中性粒细胞暴露于SCFA，类似于其暴露于整体HDAC抑制剂，灭活核因子-κB（NF-κB）和下调促炎性细胞因子肿瘤坏死因子（TNF）的产生35,36。 其他研究将SCFA对HDAC的抑制作用扩展到了巨噬细胞37,38和树突状细胞（DC）39,40。 总而言之，这些结果确定了SCFA诱导的HDAC抑制是NF-κB活性和促炎性先天免疫反应的关键调节剂。 SCFA还通过HDAC抑制影响外周T细胞，特别是调节性T（Treg）细胞。 HDAC抑制剂可以在体内改变Treg细胞的频率和功能。
·实际上，抑制HDAC9可增加叉头盒P3（FOXP3）的表达和Treg细胞的数量，增强FOXP3 + Treg细胞在稳态条件下的抑制功能，并放大Treg细胞介导的小鼠结肠炎减毒作用41。研究已表征了特定SCFA调节结肠FOXP3 + Treg细胞池的大小和功能的能力，并表明SCFA以HDAC依赖性方式诱导FOXP3表达，从而促进结肠稳态42-44。
·将小鼠置于高纤维或补充SCFA的饮食中，不仅可以抑制结肠炎症，还可以通过增加FOXP3 + Treg细胞的抑制活性来减轻过敏性气道疾病45。
·母体摄入富含SCFA的饮食可将抑制作用传递给后代45，这表明SCFA在免疫系统发育和疾病预防中具有表观遗传潜力。
·HDAC抑制剂的免疫调节作用和治疗益处（部分是通过增强FOXP3 + Treg细胞的调节功能）已在几种炎症性动物模型中进行了描述46-48。 这些研究还确定了其他介导SCFA对宿主免疫力影响的机制，包括参与GPCR。 ·SCFA的许多调控特性都需要通过GPCR进行信号传递，包括GPR43（也称为FFAR2），GPR41（也称为FFAR3）和GPR109A（也称为HCAR2），它们由多种细胞类型表达，包括免疫细胞和IEC。
·GPR43表达对于SCFA诱导的嗜中性粒细胞趋化性36以及Treg细胞的扩增和抑制功能是必需的44。 在右旋糖酐硫酸钠诱导的损伤模型（DSS诱导的损伤模型）和T细胞转移性结肠炎模型中，通过增加频率和功能，在饮用水中添加SCFA可以减轻野生型小鼠的疾病，而对Gpr43-/-小鼠没有这种作用 诱导型FOXP3 + Treg细胞的数量44,49。
·在肠道外，SCFA-GPR43的相互作用通过减少嗜中性粒细胞的趋化性和炎性基因表达而降低了细菌诱发的早产的风险50，并通过介导炎症和尿酸单钠晶体的免疫细胞清除而下调了痛风相关的炎症反应51。SCFA对宿主生理的依赖GPR43的作用也扩展到中枢神经系统（CNS）。 作为中枢神经系统常驻巨噬细胞的小胶质细胞的成熟和功能取决于肠道菌群，维持小胶质细胞稳态需要SCFA和GPR43（参考文献52）。 其他SCFA感应GPCR对宿主免疫功能也至关重要。 ·在野生型小鼠中，但在Gpr41-/-小鼠中却没有，SCFAs阻止DC成熟并改善了过敏性气道炎症40。 ·SCFA介导的GPR109A激活（一种响应烟酸和丁酸的受体）可通过单核细胞增加抗炎效应分子的表达并诱导Treg细胞和白介素10（IL-10）的分化来预防结肠炎和结肠癌的发生 ，产生T细胞53。
但是，SCFA会加剧疾病。 一项测量囊性纤维化患者痰中SCFA浓度的研究发现，SCFA介导的中性粒细胞募集和持续存在会加剧炎症反应，并促进铜绿假单胞菌的生长。 因此，SCFA的免疫调节作用取决于所研究的环境和细胞类型。 细胞特异性和组织特异性GPCR的存在及其多种代谢物感应功能使宿主能够调节炎症，以控制感染或损伤并保持体内平衡。 SCFA通过增强IEC屏障功能对于维持粘膜免疫力也是必不可少的。
响应于SCFA，肠上皮杯状细胞增加了粘蛋白基因的转录[55,56]，并且用产生SCFA的拟杆菌，泰氏拟杆菌或法氏假单胞菌接种无菌小鼠会诱导杯状细胞分化和粘液产生57。
·SCFA还改变了IEC的紧密结渗透性。 用产生高水平乙酸盐的长双歧杆菌菌株定殖，可抵御肠道致病性大肠杆菌O157：H7感染，这表明SCFA可以增强IEC完整性，并抑制致命毒素从肠腔向系统循环的转移58。 SCFA上SCFA与GPR43和GPR109A的结合也激活了炎症小体的组装并增加了下游炎性细胞因子IL-18的产生（参考资料59），从而阻止了大肠菌型60。 总的来说，这些观察结果突出了微生物来源的SCFA在调节局部和全身免疫应答以及维持粘膜稳态中的作用。 由于SCFA是具有半衰期短和新陈代谢快的挥发性化合物，因此它们对HDAC的抑制作用取决于浓度。 仅高浓度的SCFA浓度足以干扰HDAC功能61，其作用可能需要特定的转运蛋白39。 但是，SCFA也可以通过GPCR依赖性机制间接抑制HDAC62，GPCR的SCFA特异性不同，而SCFA的效力也不同。
·因此，SCFA是直接还是间接阻断HDAC活性受多种因素的影响很大，包括浓度，转运蛋白，受体以及涉及的细胞和/或组织类型。 ·因此，需要更多的研究来研究SCFA在健康和疾病中的免疫调节功能和治疗潜力。·AHR配体 肠道菌群的成员及其特定饮食成分的代谢产生可以与宿主细胞上的芳烃受体（AHR）结合的代谢产物。 AHR是配体诱导的转录因子，由免疫细胞，上皮细胞和某些肿瘤细胞表达。 AHR最初因其在异生物素代谢中的作用而被公认，但也已有证据表明其在调节粘膜免疫反应中的作用。 小鼠AHR缺乏或AHR配体不足会导致肠道微生物群组成紊乱（即细菌内腔负荷增加，富含细菌类），AMP产生，肠上皮内淋巴细胞 （IEL）数量和周转率降低。 ·将野生型IEL转移至Ahr-/-小鼠可恢复IEC屏障功能并使细菌负荷正常化63。 在野生型小鼠中，缺乏AHR配体会增加DSS诱导的结肠炎症的严重性，当给小鼠补充合成AHR配体的饮食时，这种炎症会减轻。 AHR激活对于肠道淋巴滤泡和特定先天淋巴样细胞（ILC）人群的产后扩展也是必要的，特别是产生IL-22的视黄酸受体相关的孤儿受体-γt（RORγt）+ 3组ILC（ILC3s）。
·清除啮齿类柠檬酸杆菌感染所需的64。
·总之，这些研究表明，肠道免疫细胞亚群对AHR具有内在的要求，因为缺乏AHR活性会使宿主容易受到增强的免疫激活和免疫病理学的影响，并且特定饮食成分的微生物代谢对于适当的AHR信号传导和宿主至关重要-
微生物共生。
·饮食和肠道菌群组成均会影响AHR的激活。 只有特定的细菌子集，尤其是乳酸杆菌属，才能代谢饮食中的色氨酸，并产生可刺激ILC3s65的AHR配体。 ILC3诱导的IL-22产生驱动AMPs的表达，该AMPs通过螯合金属离子抑制病原体适应性，从而降低了病原体（例如机会性真菌白色念珠菌）的利用率。 因此，内源性微生物的色氨酸代谢产物可以为宿主提供线索，这些线索对于抵抗定居和保护免受粘膜炎症至关重要。
·最近的证据表明，AHR对配体结合具有种依赖性，66暗示了宿主与其微生物群共有的配体之间的共同进化。 ·作为AHRs的配体，微生物产生的代谢产物对于宿主免疫至关重要，尤其是对粘膜界面的炎症提供保护，并且有待进一步研究以实现其作为传染性和炎性疾病治疗的潜力。
多胺
·聚胺，例如腐胺，亚精胺和亚精胺，是在几乎所有活细胞中都发现的聚阳离子分子，是多种生物学功能（包括基因转录和翻译以及细胞生长和死亡）的组成部分。
·哺乳动物的多胺合成涉及精氨酸酶1（将精氨酸转化为鸟氨酸），限速酶鸟氨酸脱羧酶（由鸟氨酸合成腐胺）和依次转化腐胺，亚精胺和亚精胺的顺序酶。
·鉴于其反应性，细胞内多胺的浓度受宿主通过生物合成，分解代谢，摄取和外排机制以及生物合成酶的转录，翻译和降解的严格调节。 与宿主多胺代谢相反，细菌使用氨基酸脱羧酶的组成型或诱导型形式产生多胺。 几种细菌病原体在宿主中的毒性和生存依赖多胺，包括幽门螺杆菌，肠炎沙门氏菌亚种。 ·肠炎血清鼠伤寒，志贺氏菌，金黄色葡萄球菌，肺炎链球菌和霍乱弧菌67。 多胺对宿主细胞功能也是必不可少的，但多胺和鸟氨酸脱羧酶水平失调与低浓度下的细胞生长缺陷以及高浓度下的毒性作用和致癌作用有关。 ·肠道中含有高含量的多胺，多胺来源于饮食以及宿主和微生物细胞从头产生的产物。 IEC依靠该水库来维持其快速周转和高扩散率。 多胺还负责增强IEC隔离层的完整性。 体外研究表明，多胺可刺激细胞间连接蛋白的产生，包括闭合蛋白，小带闭合蛋白1（ZO1；也称为TJP1）和E-钙粘着蛋白（也称为钙粘着蛋白1）68,69，这对于调节蛋白至关重要。 旁细胞通透性和增强上皮屏障功能。
·此外，对大鼠幼崽施用多胺会诱导小肠粘液和分泌型IgA的产生70，71，而给大鼠喂食多胺缺乏的饮食会导致肠粘膜发育不全72。 这些观察结果表明，宿主-微生物多胺的合成是肠道微生物组的重要功能，肠道微生物组是生命早期获得的，是胃肠道产后发育所必需的。 多胺代谢在调节免疫力中起着核心作用，必须由宿主严格控制。 精氨酸酶1和一氧化氮合酶（NOS）竞争精氨酸分别产生多胺或一氧化氮，并且是平衡效应子免疫反应的重要酶。 巨噬细胞向经典的（M1）促炎表型极化会导致可诱导型NOS的激活，促炎细胞因子的产生和细胞毒性活性的增强。 精胺可通过抑制鸟氨酸脱羧酶的表达和促炎细胞因子的合成来抑制M1巨噬细胞的活化，而不会改变消炎转化生长因子-β（TGFβ）和IL-10的合成（参考文献73）。 与动物双歧杆菌亚种组合施用精氨酸。
乳酸LKM512导致循环胺和结肠多胺水平升高，这与结肠TNF和IL-6水平降低有关（参考文献74）。 这些发现是相关的，并提出了以下假设：控制饮食并提供有益细菌可能有利地改变结肠多胺代谢，从而有益于宿主健康。
- 多胺还调节全身和粘膜适应性免疫。 接受富含多胺的母乳的幼犬表现出上皮内CD8 + T细胞和固有层CD4 + T细胞的加速成熟，以及脾脏中B细胞的早期出现增强。 人们认为，细胞过程中与衰老和年龄有关的转变以及免疫功能受损是由慢性低度炎症的累积所驱动和导致的。 研究随着年龄变化的新陈代谢变化的研究发现，在许多神经退行性疾病中，多胺水平趋于下降并发生改变76。 值得注意的是，在健康小鼠中，乳酸双歧杆菌LKM512诱导了对氧化应激的抗性并延长了寿命，这取决于增强的微生物多胺合成77。
·两者合计，宿主和微生物多胺代谢的改变可能会改变细胞因子的环境，并在急性和慢性炎症环境中诱导细胞过程。 越来越多的证据支持异常多胺生物合成在致癌和肿瘤免疫中的作用。 ·与所有高度增殖的细胞相似，癌细胞需要多胺来满足持续快速生长的需求。
·与健康个体相比，许多癌症患者的尿液和血液中多胺水平升高，78宿主和肠道菌群的多胺代谢失调可能导致结直肠癌79。 代谢组学筛查比较了成对的结肠癌和结肠直肠癌患者的正常组织样本，发现癌细胞中宿主产生的多胺可促进细菌生物膜的生长，反过来，生物膜中的细菌产生的多胺可促进和增强 癌症发展80。
与生物膜阳性组织相比，经抗生素治疗后，切除的结肠直肠癌组织没有生物膜或可培养细菌，并且特定的多胺代谢产物N1，N12-二乙酰基精胺水平降低。 因此，宿主衍生的和细菌衍生的多胺可以协同作用来促进结直肠癌，并且N1，N12-二乙酰基精胺可能是生物膜相关肿瘤的潜在生物标志物。 - 多胺还涉及皮肤癌和与激素有关的癌症，包括乳腺癌和前列腺癌78。 临床前肿瘤模型表明，多胺可抑制抗肿瘤免疫反应。 通过抑制鸟氨酸脱羧酶的活性消除多胺可以以依赖T细胞的方式消除肿瘤的生长，这提供了证据表明减少肿瘤内多胺的可利用性可以逆转肿瘤微环境中的免疫抑制81。 ·因此，多胺代谢在致癌中的重要性使多胺途径成为抗癌治疗和化学预防的有希望的靶标。 多胺水平的复杂调节对于宿主和微生物的细胞功能至关重要，值得进一步研究以了解对宿主和微生物多胺代谢的干扰如何影响宿主的健康和疾病。
微生物成分的免疫调节
·先天性免疫系统会遇到丰富多样的自身和非自身抗原，并配备了种系编码的模式识别受体（PRR），以监控，协调和响应微生物环境的变化。 PRR检测细菌，真菌和病毒来源的微生物相关分子模式（MAMP），包括脂多糖，鞭毛蛋白，肽聚糖，甲酰基肽和独特的核酸结构。 跨膜和胞质PRR启动保守的信号级联反应，从而驱动对宿主防御至关重要的刺激或调节效应子反应。 PRR信号通路的激活导致AMP，细胞因子，趋化因子和凋亡因子的产生，信号的破坏或改变可导致疾病发病。 阐明众多微生物产品如何影响PRR介导的反应有助于理解宿主与微生物体内稳态的发展和维持（图2）。 在这里，我们重点介绍三种特定的MAMP，即多糖A（PSA），甲酰基肽和D-甘油-β-D-甘露聚糖-庚糖-1,7-二磷酸酯（HBP），它们是了解宿主-微生物共生和 通过研究宿主与微生物群的相互作用来实现新的治疗机会。
图2
·微生物组分PSA，甲酰基肽和HBP的免疫调节
·到目前为止，已经鉴定出与非典型模式识别受体（PRR）结合的几种细菌因子，包括多糖A（PSA），甲酰基肽和D-甘油-β-D-甘露庚糖-1,7-二磷酸酯（HBP） 脆弱拟杆菌（Bacteroides fragilis）的PSA可以改变脾脏中CD4 + T辅助细胞1（TH1）-TH2的细胞平衡（未显示），并改变周围的效应T细胞亚群的平衡。 在肠道中，PSA被固有层树突状细胞（DC）吸收，然后加工并呈递给幼稚的CD4 + T细胞。 活化的转化生长因子-β（TGFβ）诱导抗炎叉头盒P3（FOXP3）+调节性T（Treg）细胞的扩增和白介素10（IL-10）的产生，从而抑制炎性TH1和 TH17细胞。
·所有细菌释放的甲酰基肽都与甲酰基肽受体（FPR）结合，该受体是在嗜中性粒细胞和其他免疫细胞上发现的G蛋白偶联受体。 来自金黄色葡萄球菌的甲酰基肽可以通过FPR1发出信号，并有助于伤害感受器驱动的机械性疼痛的激活和免疫抑制性神经肽的释放。 在高纳摩尔浓度下，被称为酚溶性调节蛋白（PSM）的金黄色葡萄球菌衍生的甲酰基肽通过结合FPR2刺激大量中性粒细胞流入感染部位。 诱导的嗜中性粒细胞活化导致氧化爆发。 PSM通过在DC中诱导耐受性表型并抑制TH1细胞的分化来影响适应性免疫系统。 金黄色葡萄球菌还可以使用PSM从吞噬溶酶体逃逸，裂解宿主细胞并分散生物膜，还可以杀死竞争性细菌（未显示）。
·HBP是一种革兰氏阴性细菌在脂多糖（LPS）生物合成过程中产生的单糖，并在宿主细胞的细胞质中检测到。 细胞外病原体淋病奈瑟氏球菌分泌的HBP通过TIFA（TRAF相互作用蛋白与含FHA结构域的蛋白A）的磷酸化依赖性寡聚来诱导先天性和适应性免疫应答。 TIFA的激活及其随后与TNF受体相关因子6（TRAF6）的相互作用导致TRAF6泛素（Ub）依赖性的核因子-κB（NF-κB）激活，从而诱导促炎性免疫基因的表达。
- ·IFNγ，干扰素-γ； P，磷酸盐； TCR，T细胞受体。
PSA
·PSA是由脆弱的拟杆菌（Bacteroides fragilis）生产和输出的八种结构独特的荚膜多糖之一，该细菌是革兰氏阴性共生体，主要存在于结肠的外部粘液层中。 该两性离子结构对于脆弱的芽孢杆菌的生长和有效定殖是必不可少的，并介导其与其他微生物群成员和宿主的相互作用。 PSA对先天和适应性免疫细胞具有多效性调节作用。 PSA与DCs82上的Toll样受体2（TLR2）相互作用，并且还通过CD11c + DCs83,84对其进行采样，处理并呈递给T细胞；
因此，施用PSA可以纠正在无菌小鼠中观察到的T辅助1（TH1）细胞和TH2细胞之间的失衡。
·在脓肿形成和结肠炎的临床前模型中，PSA可以通过激活活化的CD4 + T细胞85促进IL-10产生，并通过提高产生IL-10的CD25 + FOXP3 + Treg细胞86的种群频率和功能来抑制炎症。 尽管PSA已在脾脏和胃肠道中进行了广泛研究，但其抗炎活性超出了这些部分。 在神经炎症中，PSA驱动的Treg细胞作用需要诱导CD39（也称为NTPDase 1）表达，Treg细胞才能迁移到CNS87。 CD39是一种重要的调节酶，可通过将促炎性细胞外ATP转化为消炎性ADP来限制炎症。 CD39表面表达是区分人类FOXP3 + Treg细胞与幼稚T细胞或其他效应T细胞群体的标志物，人类FOXP3 + Treg细胞的CD39表达上调对于其抑制活性是必要的88。 最近对人外周血单个核细胞的体外研究表明，PSA可以增强产生IL-10的CD4 + CD39 + FOXP3 + Treg细胞的扩增和抑制功能89。
·Treg细胞中CD39的缺乏与无法抑制实验性结肠炎有关，炎性肠病患者CD39表达的增加与疾病的缓解有关。 在临床前模型和人类细胞体外实验中的机理研究表明，PSA可能是用于治疗人类自身免疫性疾病的有用的免疫调节MAMP。
甲酰基肽
·在细菌中发现了被甲酰基肽受体（FPR）识别的保守N-甲酰基肽基序，而在线粒体中发现了它们密切相关的基序。 ·FPR还可以检测其他非甲酰化的内源性配体，包括血清淀粉样蛋白A，抗菌肽抗菌肽LL-37和膜联蛋白A1。 FPR的刺激导致白细胞的募集以及促炎性细胞因子，酶和超氧化物的产生以抵抗感染。 FPRs由先天免疫细胞，上皮细胞，内皮细胞，肌肉细胞和神经细胞表达，最近的研究表明，在非吞噬细胞上刺激FPRs对于感染或损伤后实现组织稳态是必不可少的91。
·鉴于FPR的各种作用和表达特征，已经描述了FPR异常激活的作用在炎症，自身免疫性疾病，神经退行性疾病和癌症中。 致病性金黄色葡萄球菌产生被称为酚溶性调节蛋白（PSM）的甲酰基肽。 ·PSM激活哪些FPR取决于PSM的长度和二级结构，而FPR激活的强度取决于PSM的浓度92。
·在低水平时，PSM通过FPR1发出微弱的信号，但在高水平时，PSM是FPR2的有效激活剂，诱导嗜中性粒细胞明显流入感染部位，并对宿主细胞和竞争性微生物细胞造成细胞毒性损害93。 FPR还可以与伤害感受器一起介导金黄色葡萄球菌诱导的炎性疼痛。
·金黄色葡萄球菌衍生的甲酰基肽通过FPR1发出信号，从而促进伤害感受器驱动的机械疼痛的激活和免疫抑制性神经肽的释放94。 金黄色葡萄球菌还能够分泌能够抑制FPR并阻止白细胞迁移的蛋白质95,96。
·总之，这些研究表明，金黄色葡萄球菌可通过刺激伤害感受器释放免疫抑制性神经肽来间接抑制宿主免疫系统，并直接通过FPR抑制或弱化信号传导，从而使细菌在受感染的组织中繁殖。
- 在感染的后期，随着PSM的积累，金黄色葡萄球菌可以增强中性粒细胞的细胞毒活性，从而进一步破坏宿主细胞和组织。 对致病性金黄色葡萄球菌的研究强调了宿主识别MAMP的重要性以及对在疾病早期激活先天免疫应答的新策略的需求。 鉴于甲酰肽有能力有效激活先天免疫系统，因此肽去甲酰基化酶抑制剂（如肌动蛋白）是抗药性细菌（如金黄色葡萄球菌）的有前途的疗法。 许多细菌编码肽去甲酰基化酶，而这些酶的调节是细菌在感染过程中可以使甲酰肽失活并阻断白细胞趋化性的机制。 金黄色葡萄球菌甲硫酰基-tRNA甲酰基转移酶（一种参与引发剂甲硫酰基-tRNA的甲酰化以进行蛋白质合成的酶）的基因失活或化学抑制降低了其在体内强烈感染的能力98。 尽管肌动蛋白可以驱动细菌病原体中甲硫氨酰-tRNA甲酰转移酶的功能丧失突变并赋予对肽甲酰化酶抑制剂的抗药性，但这些突变导致体外和体内适应性显着降低99，因此为管理硫提供了有用的策略。
·金黄色葡萄球菌感染。
HBP：D-甘油-β-D-甘露庚糖1,7-二磷酸酯
·某些病原体似乎无法通过已知的PRR进行检测，这引发了一个问题，即这些病原体是否通过其他尚待确定的方法检测出。 最近的一项研究表明，细菌衍生的代谢产物HBP可以通过先前未知的信号转导轴驱动先天性免疫反应。 研究人员结合遗传和生化方法，发现淋病奈瑟氏球菌（Neisseria gonorrhoeae）是一种革兰氏阴性细菌，侵入泌尿生殖道后，将促炎性代谢物HBP释放到细胞外环境100。 尽管HBP是其他革兰氏阴性细菌的脂多糖生物合成途径中的中间体，但无需首先进行细菌裂解即可释放HBP的能力是淋病奈瑟氏球菌特有的现象。
·因此，作为一种胞外病原体，淋病奈瑟氏球菌可以参与先天免疫系统，而无需先被吞噬和溶解。
·淋病奈瑟氏球菌衍生的HBP可以通过胞吞作用进入宿主细胞，并启动保守的信号传导级联反应，这些信号汇聚反应诱导促炎反应。 具体而言，HBP激活了信号分子TIFA（具有FHA结构域的蛋白A与TRAF相互作用的蛋白），可刺激其磷酸化，寡聚和重新定位至溶酶体，并在其中与衔接子TRAF6（TNF受体相关因子）相互作用。
·TIFA与TRAF6的相互作用触发了经典的NF-κB途径，以诱导参与先天免疫应答的基因的表达。 ·在感染的情况下，用淋病奈瑟氏球菌衍生的HBP和单独注射HBP均可观察到这些作用。
·调节细菌HBP产生以及宿主运输和HBP细胞内识别的机制需要进一步研究。 但是，这些发现确定了微生物代谢产物可以作为MAMPs来驱动促炎基因的表达，并可能利用新型PRR途径引发适应性免疫反应。 淋病奈瑟氏球菌衍生的HBP的完整信号传导途径的阐明，不仅将为控制感染提供重要的见识，而且还将用作鉴定微生物产物如何向宿主发出信号并影响宿主免疫力的模型。
结论
- 微生物群和免疫系统参与了复杂的串扰，受到无数环境线索的影响，它们既在局部发生相互作用，又在人体内部相距很远。 微生物群产生的代谢产物及其细胞和分子成分正日益被认为是人类生理学的重要组成部分，对免疫功能和功能障碍具有深远的影响。
·微生物代谢产物是通过微生物与微生物以及宿主与微生物的相互作用而产生的，人们越来越认识到这种共同代谢在人类健康和疾病中的作用。 这些观察结果支持了哺乳动物是全生命周期的概念，该生命周期既依赖于宿主基因组，也依赖于微生物基因组（即完整基因组），以实现最佳功能。 元组学和不断发展的计算框架有望导致系统地预测和发现更多与免疫系统功能相关的微生物代谢产物和成分。 但是，进一步探查众所周知的微生物代谢物（如SCFA）和共代谢物（如多胺和AHR配体）如何影响免疫细胞亚群及其功能也很重要。
词汇表
- Dysbiosis： 营养不良症通常在哺乳动物宿主中发现的微生物种类的组成或功能失衡。
·它与免疫功能的改变以及对炎性疾病，过敏和代谢状况的敏感性有关
灵长类小鼠模型：，其中无菌小鼠被确定的微生物选择性定殖并保存在隔离器中以控制其微生物定殖状态 - 骨髓-肝-胸腺人源化小鼠（BLT人源化小鼠）：·免疫缺陷的小鼠在肾囊下植入了人胎肝和胸腺。 三周后，辐照小鼠，然后注射来自同一人胎儿肝脏样品的CD34 +细胞悬液。 这些胎儿肝细胞播种到小鼠骨髓。
- Humanized mouse models：实验模型中的小鼠携带通过转基因，注射或移植引入的功能性人类基因，细胞，组织（包括粪便）或器官。
- 例如，可以使用转基因表达1型糖尿病易感基因并用1型糖尿病患者和朗格汉斯人胰岛的T细胞重组的免疫缺陷小鼠来研究相关的自身免疫过程
·荧光原位杂交（FISH）：·一种使用荧光探针在视觉上标记细胞核中特定DNA序列的技术 - 代谢寡糖工程（MOE）：·一种将合成糖类似物外源供应至活细胞并生物合成地掺入细胞表面多糖的技术。·该技术的优势在于它可用于需氧或厌氧条件下生长的原核和真核细胞 生物正交点击化学（BCC）。
·活细胞中的化学反应，可将标记的合成探针共价连接至靶向细胞底物，而不会破坏细胞的任何天然功能。 该方法可用于标记和可视化目标细胞内的生物分子 - 厌氧发酵：从碳水化合物中提取能量的过程。 有些细菌是兼性厌氧菌，这意味着它们可以在有氧呼吸和厌氧途径之间切换，这取决于氧气或其他电子受体的可用性。 其他细菌是专性厌氧菌，这意味着它们完全依赖于厌氧发酵，并且只能在没有氧气的情况下生存
- 组蛋白脱乙酰基酶（HDAC）：·从位于组蛋白氨基末端的赖氨酸残基除去乙酰基的酶。 通常，组蛋白乙酰化水平的降低与基因表达的抑制有关。
·HDAC和组蛋白乙酰转移酶之间的相互作用维持了组蛋白乙酰化的平衡 - 右旋糖酐硫酸钠诱导的损伤模型（DSS诱导的损伤模型）： 摄入硫酸化多糖DSS引起小鼠结肠损伤和粘膜炎症的常用实验模型。 该模型引起急性结肠上皮损伤和炎症 T细胞转移性结肠炎模型一种特征明确的慢性结肠炎模型，其通过将CD4 + CD45RBhi（天然）T细胞从健康的野生型小鼠转移到免疫缺陷的同基因受体中诱导异源生物化合物，包括药物，食品成分和污染物
- 先天性淋巴样细胞（ILC）：·源自普通淋巴祖细胞且不表达重组抗原受体的淋巴细胞。
·ILC在对感染微生物的固有免疫应答，上皮稳态和淋巴组织形成中具有重要作用