Science | Stappenbeck团队/陆秋鹤发现降解分泌性免疫球蛋白A的全新菌种

生物探索

2024-10-07 15:30发布于江苏科学领域创作者

引言

肠道作为一个消化器官，其主要功能是消化和吸收食物营养。在这一过程中，无数的肠道共生微生物尤其是肠道细菌也发挥着不可或缺的作用。为了让肠道的共生微生物不对宿主构成危害，同时也为了应对食物中经常存在的致病微生物和毒素，肠道也演变成了人体最大的内分泌和免疫器官。作为人体健康的第一道防线，肠道黏膜系统形成了一道屏障来有效地防御外来有害物质的入侵。由肠上皮细胞构成的物理屏障和由抗菌肽，溶菌酶，粘液，和分泌性免疫球蛋白A (secretory immunoglobulin A, SIgA) 等组成的化学屏障，时刻保卫着机体的肠道健康。其中，SIgA是黏膜系统（口鼻腔、肺部、肠道和女性生殖系统等）最丰富的抗体。在不同个体的肠道，SIgA抗体水平可以有很大差别。这种差别可以受到遗传因素，年龄，和肠道微生物等多种因素的影响。例如，无菌小鼠几乎检测不到SIgA，BALB/c和C57BL/6小鼠SIgA的基础水平也不一样。

近日，Science发表了来自美国克利夫兰诊所炎症和免疫系主任Thaddeus Stappenbeck实验室的研究论文：A host-adapted auxotrophic gut symbiont induces mucosal immunodeficiency （第一作者：陆秋鹤博士）。团队发现了一种全新的细菌能降解啮齿类动物的SlgA，诱发动物的黏膜免疫缺陷。

Stappenbeck实验室观测到，同一品系的野生型C57BL/6小鼠的肠道会出现的不同的SIgA水平，而且这一表型可以稳定遗传到下一代。进一步研究后发现这些小鼠肠道中分泌IgA浆细胞水平与其他小鼠并无差别，而主要原因是这些小鼠中存在由某种肠道细菌，导致了SIgA在肠腔中被降解。通过高通量微生物组测序和对低SIgA水平小鼠肠道生物标志物菌株进行体外功能测试后，并没有发现能够降解IgA的细菌。陆秋鹤博士于是设计了基于功能的体外生化筛选，通过培养低水平SIgA小鼠的肠道厌氧微生物，去寻找在这些小鼠中降解IgA的未知细菌。通过改进体外培养技术和对抗生素的巧妙利用，陆秋鹤博士最终找到了一株未知的革兰氏阴性细菌可在体外有效的降解IgA。在测定16S 核糖体RNA基因序列和全基因后，这一IgA降解菌依然无法与已知的细菌比对上。通过与国际著名的微生物生态学家Thomas Clavel课题组合作，终于确认了这是一株全新的从未被分离过的细菌新种，并与其他一些未被研究的细菌组成了一个新的属。鉴于这一细菌可以有效的降解SIgA，为了致敬免疫学先驱--SIgA的发现者Thomas Tomasi博士，陆秋鹤博士把这株SIgA降解细菌命名为Tomasiella immunophila。

通过进一步的基因组分析和功能型实验，陆秋鹤博士等发现 T. immunophila 缺乏 N-乙酰胞壁酸的关键合成基因，而N-乙酰胞壁酸是细菌细胞壁的关键成分，对于其体外最佳生长至关重要。单独的 T. immunophila 无法在常规饲养的野生型小鼠或无菌小鼠中定殖。然而，来自高SIgA水平小鼠的粪便浆液则促进了 T. immunophila 在小鼠中的定殖，这表明辅助菌株对于其在小鼠肠道中的成功定殖至关重要。结果显示，被 T. immunophila 定殖的小鼠肠道中的 SIgA 水平显著降低。在小鼠免疫了鼠伤寒沙门氏菌黏膜疫苗后，定殖T. immunophila可以有效降解疫苗诱导的SIgA，使得疫苗失去对小鼠的保护。同样，T. immunophila也会让小鼠对白色念珠菌的的敏感性增加。此外，在肠炎模型中，T. immunophila的存在也会导致小鼠肠道损伤的粘膜屏障修复延迟。这一表型和此前报道的IgA敲除小鼠一致。研究还发现，小鼠粘膜暴露于 T. immunophila 会诱导产生特异性针对该细菌的肠道 SIgA，而无法产生或分泌SIgA的遗传缺陷小鼠会导致T. immunophila在肠道中水平下降。

研究发现，T. immunophila 分泌多种与其外膜囊泡相关的抗体降解蛋白酶，这些蛋白酶被观察到特异性地降解小鼠抗体的所有同种型和亚类，但并不降解其他测试的蛋白（IgA抗体受体片段、黏蛋白、胰酶和白蛋白等）。而且，T. immunophila 对抗体的降解仅仅限于啮齿动物。进一步研究发现，T. immunophila 选择性地降解含有 kappa 轻链的抗体，而几乎不切割含有lambda 轻链的抗体。通过体外表达纯化重组抗体，陆博士发现，含有鼠源kappa 轻链和人源重链的重组抗体也会被 T. immunophila切割，但含有人源kappa 轻链和鼠源重链的重组抗体则不会被切割。这一结果一定程度上解释了T. immunophila特异降解啮齿类抗体的原因，尽管具体机理还需要未来深入的研究。该研究还发现T. immunophila可以完全降解小鼠的IgA，IgE, 和IgM；但所有IgG抗体亚类被切割后都保留了Fc片段，而F(ab’)2片段则被完全降解。

人类个体对肠道病原菌感染的敏感性差异巨大，而此前的研究也发现肠道IgA水平在个体间差异也很大。已有临床研究暗示着人类肠道中也存在着类似T. immunophila的共生菌，尽管还有待于发现和研究。陆秋鹤博士表示，下一步的研究重点是鉴定T. immunophila中抗体降解酶和寻找降解人源抗体的肠道微生物和相应的酶类。通过鉴定出这些新颖的酶类，有望通过生物信息学和AI等工具进一步发现更多的人类肠道微生物组中的一些同源蛋白。鉴定和研究这类抗体降解酶类有着巨大的临床意义。一方面，抗体降解酶可以作为潜在靶点来治疗含有此类蛋白的肠道微生物引起的炎症和感染敏感。另一方面，人类中很多疾病是由抗体介导的，包括一些自身免疫病和器官移植排斥反应。临床上已有利用抗体降解酶来治疗肾脏移植排斥反应且效果良好，但能够特异切割抗体并能用于临床的酶极其稀有。通过发现更多的抗体降解微生物和特异降解抗体的酶类，将为临床治疗抗体介导的疾病提供更多的选择。另外，这类酶在抗体工程上也将有广泛的应用前景。

这一研究也有着重要的生物学意义。首先，T. immunophila是一株营养缺陷细菌。这一研究暗示很多目前无法培养的微生物可能也存在某种营养缺陷，这在未来肠道微生物组的功能研究中值得注意。另外，从小鼠分离到的T. immunophila只能降解小鼠和其他一些啮齿类抗体，暗示着肠道微生物和宿主的共同进化。目前的人类肠道微生物研究的模式是通过定殖人源肠道微生物到无菌小鼠体内来研究一些生物学过程；但这种研究方式有着巨大的缺陷。一方面，很多人源微生物并不能有效在小鼠体内定殖；另一方面，人源微生物可能并不能与研究人员感兴趣的小鼠分子相互作用而得到表型。这可能一定程度解释了为何目前的肠道微生物研究结果非常难以转化为应用。国际著名黏膜免疫学家，牛津大学和苏黎世联邦理工学院教授Emma Slack教授在同一期的评论文章写道：“陆博士等人的研究结果表明，在研究非本宿主来源的肠道微生物时应保持适当谨慎。” 可以肯定的是，未来需要开发更多的工具来开展人类肠道微生物的研究，例如利用人源的类器官或者人源化小鼠等。

陆秋鹤博士表示：“当今肠道微生物组研究的难点在于找到真正造成某一表型或者疾病的肠道微生物，而这正是研究最关键的一步，遗憾的是目前肠道微生物组的研究大多还是关联性研究。我们的研究不仅仅是鉴定了一株全新的抗体降解细菌，更重要的是它展示了功能筛选被用于未来肠道微生物组研究的可行性和重要性。” Emma Slack教授也高度评价了该研究：“要将微生物组研究从观察性关联研究转变为机理认识所需的工作量仍然令人望而生畏。尽管如此，陆博士等人的研究代表了理解微生物群与免疫系统相互作用的一个值得注意的和意想不到的难题。”

参考文献

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