Nature揭示生命早期的TLR5表達影響長期腸道菌群組成

　　雖然人們認為離婚、喪親和失業是重大的生活事件，但是也許一個人的生活沒有發生變化就像他們出生的那一刻一樣充滿戲劇化。當嬰兒離開產道時，新生兒失去胎盤支持，呼吸系統和腸道必須開始發揮功能。此外，嬰兒遇到的有益微生物和致病性微生物將競爭著在他們的體內定植。在一項新的研究中，Marcus Fulde等人報道腸道受體蛋白TLR5參與積極地塑造新生小鼠腸道微生物群落（也稱作腸道菌群）的長期組成[1]。

　　腸道中的細菌定植通常始于產道[2]。隨后，在腸道菌群變化期間，微生物物種的增加和減少連續地發生，其中在人類中，這一變化持續大約18個月的時間[3]。生命早期的營養狀況和免疫系統發育都會影響腸道定植，這將對隨后的生長和健康產生深遠的影響。可悲的是，全球有1500多萬5歲以下的兒童遭受營養不良和嚴重消瘦。這是由卡路里攝入不足和一種與腸道內細菌異常定植有關的被稱作環境性腸病（environmental enteropathy）的免疫功能障礙共同導致的。被稱為B細胞和T細胞的免疫細胞要能夠正常地發揮功能部分上取決于它們在早期發育期間接觸的非致病性微生物，這是因為這種接觸對腸道菌群中的微生物物種組成和隨后對致病性微生物攻擊的抵抗性產生長期影響[4]。

　　新生幼崽的不成熟的脆弱的免疫系統在某種程度上能夠得到通過胎盤轉移而來的或母乳中存在的母體抗體的保護---這是一種特別有效的促進健康的手段。存留在腸道中的母乳抗體能夠有助于確定定植在腸道中的微生物組成，從而阻止對非致病性微生物產生過度的免疫反應[5][6]。然而，盡管存在這種母體提供的免疫保護，但是當身體內部表面和外部表面中的微生物漸進性定植與免疫系統的發育和成熟同時發生時，嬰兒仍然在早期生活中處于一個極其敏感的時期。

　　當無菌的動物遭受菌群定殖時，它的幾乎每個器官的細胞組成和功能都會發生變化。這些變化是由來自這些微生物本身的分子觸發的，并且這些結果能夠有助于阻止炎癥產生，這是因為動物適應了微生物在它們的體表上的存在。

　　人們之前認為，基于將微生物群引入到無菌條件下培養的成年動物中的實驗，宿主組織對腸道微生物的存在的適應可有效地在任何年齡發生。然而，人們越來越意識到，隨著新生動物的發育，一系列有序的與年齡相關的相互關聯的免疫和微生物檢查點是正確地適應所必不可少的，而且也會確保一種健康的菌群組成[7]形成。在這個關鍵的早期時間窗口的適應性例子包括調節不同類別的抗體產生和腸道中被稱作自然殺傷T細胞的免疫細胞的數量[7][8]。新生動物中的微生物定植并不是先天性免疫系統發育必需的，這是因為從胎盤轉移而來的和母乳中的源自母體微生物的分子就足以促進這一過程中的一些步驟發生 [9]。

　　之前對缺乏TLR5（屬于一個與微生物識別相關的蛋白家族）的小鼠的多項研究[10][11][12]已報道這些小鼠中的腸道微生物存在著引發代謝異常（比如體重增加和肝臟中的脂肪變化）的缺陷。為了研究產后發育如何影響腸道微生物群落的建立，Fulde及其同事們比較了3天大小鼠和成年小鼠的腸道上皮細胞中的基因表達，發現編碼TLR5的基因在幼鼠中高度表達。這些研究人員研究了這種蛋白是否在出生后的早期腸道發育中起作用。

　　Fulde及其同事們證實TLR5在生命早期的腸道上皮細胞中的表達是發育過程中的一個檢查點的例子，這個發育過程與微生物定植相協調，從而實現宿主與它的菌群之間的健康共生。 TLR5能夠結合到一種被稱作鞭毛蛋白的細菌蛋白上，而且這些研究人員發現這會促進抗菌蛋白Reg3γ分泌。TLR5和Reg3γ都有助于限制表達鞭毛蛋白的細菌的早期定植，其中鞭毛蛋白是有助于細菌運動的鞭毛結構的一個組成部分。鞭毛蛋白存在于某些致病菌上，但并非所有表達鞭毛蛋白的細菌都具有致病性。在接受相同的含有鞭毛的沙門氏菌菌株和不含有鞭毛的沙門氏菌株混合物定植的幼鼠（最多10天大）中開展定植實驗時，他們確定了這種與TLR-5相關的效應在發育期間的何時會發生。在野生型小鼠中，缺乏鞭毛蛋白的沙門氏菌菌株的腸道定植效果始終高于含有鞭毛蛋白的沙門氏菌菌株的腸道定植。這種差別在缺乏TLR5的小鼠中并沒有觀察到（圖1）。

圖1.一種宿主蛋白影響腸道微生物的組成，圖片來自Nature, doi:10.1038/s41586-018-0395-5。

　　在Fulde及其同事們開展的另一種實驗方法中，無菌的野生型幼鼠接受來自野生型小鼠的“健康”菌群或來自缺乏TLR5的小鼠的 “失調”菌群在腸道中的定植，其中缺乏TLR5的小鼠易于觸發與代謝疾病相關的變化[10][11][12]。Fulde等人發現野生型幼鼠促進定植在腸道中的失調菌群的種類組成向來自野生型小鼠的菌群轉變。然而，TLR5似乎僅在出生后的一個特定時間窗口內塑造菌群組成，這是因為這些研究人員發現當將這種失調菌群轉移到無菌的缺乏TLR5的幼鼠或無菌的野生型成年小鼠中時，TLR5并不那么有效地塑造失調菌群的組成。一旦菌群組成被塑造，它就會持續很長時間一直延續到成年時期（至少42天）。鑒于斷奶（出生后約21天）時腸道上皮細胞下調TLR5表達，這種菌群塑造效果的機會窗口限制在出生后的生命早期。

　　給定動物品種中的腸道微生物組成會隨著用來培養實驗室動物的住房設施不同甚至會隨在同一個住房設施中的籠子不同而發生很大的變化，即使在連續的近交群體（inbred colony）中，微生物組成也會逐代地發生變化。外部影響，如飲食變化或與籠子相關的環境影響，可能會帶來讓實驗結果混亂的變化。解決這個問題的一種方法是培育雜交動物（那些僅在目的基因的兩個拷貝中的一個拷貝上發生突變的動物），然后比較缺乏目的基因的或野生型的同窩出生動物的腸道微生物。然而，正如其他人所報道的[13]那樣，通過這種方法，腸道微生物組成的差異主要是由從親代傳遞給后代的菌群造成的，而不受后代是否缺乏特定基因（如編碼TLR5的基因）的影響。

　　然而，在Fulde團隊研究的腸道微生物和產后發育階段的背景下，這些研究人員不僅證實缺乏TLR5的小鼠產生異常的腸道微生物群落，而且TLR5在腸道細胞中的存在足以通過限制鞭毛細菌的存在來促進這種異常的腸道微生物群落趨向更加正常的菌群組成。

　　與每種重大進展一樣，一些問題仍然存在。在存在或不存在TLR5的情況下確定不同微生物占據腸道微環境的方式將需要使用一系列具有事先確定的穩定的微生物組成的小鼠群體開展研究。這將允許科學家們發現微生物物種的存在與否如何影響宿主中的菌群相互作用，并通過使用一種被稱作穩定同位素示蹤的技術來評估微生物物種之間的分子交談是否影響菌群的總體組裝。