生命早期為何影響終生菌群構建及疾病易感性

文獻導讀

在出生前，腸道缺乏活菌。一旦胎膜破裂，新生兒的體表暴露於環境細菌下， 在出生後早期，微生物群表現出較高的個體間差異和較低的多樣性，並受到母體接觸和環境的強烈影響。持續的環境暴露穩步增加多樣性，最終導致一個成熟和相對穩定的微生物群。最近的研究表明，出生後期和嬰兒早期是免疫細胞成熟和穩態的一個特別重要的時間視窗。在這些研究中，出生後早期接觸微生物對免疫成熟和疾病易感性有重大影響，而在較晚的年齡第一次接觸微生物則未能糾正功能失調的免疫系統。這表明嬰兒早期代表了發育中的免疫系統的啟動期和一個關鍵的“時間視窗”用於建立成熟和有益的微生物群。

文獻介紹

• 英文標題：Neonatal selection by Toll-like receptor 5 influences
  long-term gut microbiota composition
• 中文標題：新生兒中Toll樣受體5的選擇作用會影響長期腸道菌群的組成
• IF:41.577
• 年份：08 August 2018
• 期刊：Nature
• 第一作者：Marcus Fulde[研究領域：宿主微生物互作，分子生物學，微生物學，微生物遺傳學，病毒學等]link
• 通訊地址：Institute for Medical Microbiology and Hospital Epidemiology, Hannover Medical School, Hannover, Germany. Institute of Microbiology and Epizootics, Department of Veterinary Medicine at
  the Freie Universität Berlin, Berlin, Germany.

摘要

1. 出生後早期對微生物組成、宿主與微生物的相互作用和免疫穩態的發展尤其重要，但這種生命早期的潛在分子機制尚未確定。
2. 鞭毛蛋白受體Toll樣受體5（TLR5）在新生小鼠腸道上皮中的年齡依賴性表達，表達在出生後的前兩週高，而在斷奶後急劇下降。
3. 鑑定宿主介導的細菌定植調控迴路（TLR5，抗菌c型凝集素REG3γ，TLR5接頭蛋白MYD88構成新生兒腸道中鞭毛細菌的反選擇迴路 ），該回路僅在新生兒早期起作用，但影響長期生微生物群的組成。
4. 新生兒Tlr5表達在整個生命過程中強烈影響微生物群的組成。

實驗設計思路

主要結論及圖表解析

• 新生（3日齡）小鼠的分離的腸上皮細胞與來自成年小鼠的細胞相比表現出顯著增強的鞭毛蛋白受體Tlr5的表達。
• RT-PCR證實Tlr5表達在出生後的前兩週高，但後期急劇下降在斷奶時（出生後第21天）達到穩定水平。這種年齡依賴性下降僅限於腸上皮；脾細胞沒有表現出年齡依賴性的Tlr5表達
• 分別給野生型或TlR5缺陷型新生兒小鼠口服1：1比例的野生型和非鞭毛型沙門氏菌進行競爭性定植實驗，在口服藥後的第一個24h內，野生型但不是Tlr5缺陷型新生小鼠的腸道定植強烈偏向於非鞭毛細菌。
• 缺乏抗菌c型凝集素Reg3γ或TLR5銜接蛋白Myd88的小鼠未能表現出細菌選擇。因此，腸上皮TLR5，MYD88和REG3構成新生兒腸道中鞭毛細菌的反選擇迴路。
  
• Tlr5−/−（缺陷型）和Tlr5+/+（野生型）懷孕母鼠生產後，將它們分別與它們的幼崽一起飼養，新生兒只與相同基因型的動物一起飼養，並對新生兒進行分析其微生物。出生後8天，Tlr5/和Tlr5fi/fi小鼠腸道微生物群的組成存在顯著差異（P=0.001），這與Tlr5表達對早期腸道微生物群的影響一致。
• 雜交來源於相同Tlr5+/+(野生型)和Tlr5-/-(缺陷型)父母的雜合Tlr5+/-小鼠，並檢查了出生後8天在同一窩中飼養的後代。在這些條件下，Tlr5f-/-(缺陷)新生兒小鼠與他們的Tlr5的母親（Tlr5+/-）和同窩仔（Tlr5++/）共同飼養。主座標分析顯示微生物組成沒有顯著差異（P=0.669）。說明了在出生後早期表徵基因介導的對腸道微生物群建立的影響的存在挑戰，強調了母系、同窩動物和其他環境因素在生命早期發揮了強大的主導作用。
  
• 比較了Tlr5(-/-)來源的小鼠菌群（TLR5菌群）和野生型Tlr5（+/+）來源小鼠的菌群（WT菌群）在新生兒和成年野生型無菌小鼠中的發育情況，這些宿主在轉移後14,21和28天置於無菌微隔離籠中，Unifrac分析證實野生型新生兒宿主中WT和TLR5微生物群之間的距離（即相似性增加）隨著時間的推移顯著降低（P<0.0001），而轉移到成年宿主時該距離沒有降低。。而WT和TLR5微生物群之間的差異在成年動物中保持不變，在新生小鼠中它們隨著時間變得更加相似。
• WT和TLR5菌群轉移到無菌野生型和無菌TLR5缺陷型小鼠中，觀察到供體WT和TLR5微生物群在轉移到野生型新生小鼠而不是成年小鼠時的相似性增加。然而，僅在轉移到新生野生型小鼠而不是Tlr5缺陷型新生小鼠時觀察到相似性的增加。
• 將菌群從Tlr5缺陷型小鼠移植到成年無菌野生型小鼠導致糞便鞭毛蛋白的濃度明顯高於將WT微生物群轉移到成年無菌野生型小鼠後發現的濃度。相比之下，轉移WT或TLR5微生物群后，新生兒接受者的糞便鞭毛蛋白水平沒有差異。因此，在鞭毛細菌早期定植期間重塑益生菌微生物群的能力似乎侷限於出生後期，但對腸道微生物群產生持久影響。

文章亮點

1. 合理設計實驗，思路清晰，內容嚴謹，利用菌的競爭性定植實驗，無菌小鼠培養的比較微生物群轉移實驗，單獨飼養，共同飼養以及雜交等實驗技術手段，合理控制每一步的變數，規避干擾項對結果的影響。（值得借鑑）
2. 確定了新生兒宿主上皮中的一個特定調節迴路，形成了腸道微生物群的建立並限制了定植的鞭毛細菌的擴散。（TLR5，抗菌c型凝集素REG3γ，TLR5接頭蛋白MYD88構成新生兒腸道中鞭毛細菌的反選擇迴路）

不足之處

1. 未證明TLR5是直接通過對鞭毛病原體的識別和反應起作用，或通過微生物群的改變間接起作用，進而賦予代謝產物或免疫學後果，可深入挖掘。

文章意義

成年宿主中有益的微生物群在嬰兒早期形成。這也許可以解釋為什麼在生命早期干擾微生物群建立的環境因素會影響成年期的免疫穩態和健康。

文章連結和參考文獻

1. 點選檢視原文獻
2. Turnbaugh, P. J. et al. An obesity-associated gut microbiome with increased capacity for energy harvest. Nature 444, 1027–1031 (2006).
3. Qin, J. et al. A metagenome-wide association study of gut microbiota in type 2
   diabetes. Nature 490, 55–60 (2012).
4. Frank, D. N. et al. Molecular-phylogenetic characterization of microbial
   community imbalances in human infammatory bowel diseases. Proc. Natl
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