生命早期为何影响终生菌群构建及疾病易感性

生命早期为何影响终生菌群构建及疾病易感性

文献导读

在出生前，肠道缺乏活菌。一旦胎膜破裂，新生儿的体表暴露于环境细菌下， 在出生后早期，微生物群表现出较高的个体间差异和较低的多样性，并受到母体接触和环境的强烈影响。持续的环境暴露稳步增加多样性，最终导致一个成熟和相对稳定的微生物群。最近的研究表明，出生后期和婴儿早期是免疫细胞成熟和稳态的一个特别重要的时间窗口。在这些研究中，出生后早期接触微生物对免疫成熟和疾病易感性有重大影响，而在较晚的年龄第一次接触微生物则未能纠正功能失调的免疫系统。这表明婴儿早期代表了发育中的免疫系统的启动期和一个关键的“时间窗口”用于建立成熟和有益的微生物群。

文献介绍

• 英文标题：Neonatal selection by Toll-like receptor 5 influences
  long-term gut microbiota composition
• 中文标题：新生儿中Toll样受体5的选择作用会影响长期肠道菌群的组成
• IF:41.577
• 年份：08 August 2018
• 期刊：Nature
• 第一作者：Marcus Fulde[研究领域：宿主微生物互作，分子生物学，微生物学，微生物遗传学，病毒学等]link
• 通讯地址：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. 出生后早期对微生物组成、宿主与微生物的相互作用和免疫稳态的发展尤其重要，但这种生命早期的潜在分子机制尚未确定。
2. 鞭毛蛋白受体Toll样受体5（TLR5）在新生小鼠肠道上皮中的年龄依赖性表达，表达在出生后的前两周高，而在断奶后急剧下降。
3. 鉴定宿主介导的细菌定植调控回路（TLR5，抗菌c型凝集素REG3γ，TLR5接头蛋白MYD88构成新生儿肠道中鞭毛细菌的反选择回路 ），该回路仅在新生儿早期起作用，但影响长期生微生物群的组成。
4. 新生儿Tlr5表达在整个生命过程中强烈影响微生物群的组成。

实验设计思路

主要结论及图表解析

• 新生（3日龄）小鼠的分离的肠上皮细胞与来自成年小鼠的细胞相比表现出显著增强的鞭毛蛋白受体Tlr5的表达。
• RT-PCR证实Tlr5表达在出生后的前两周高，但后期急剧下降在断奶时（出生后第21天）达到稳定水平。这种年龄依赖性下降仅限于肠上皮；脾细胞没有表现出年龄依赖性的Tlr5表达
• 分别给野生型或TlR5缺陷型新生儿小鼠口服1：1比例的野生型和非鞭毛型沙门氏菌进行竞争性定植实验，在口服药后的第一个24h内，野生型但不是Tlr5缺陷型新生小鼠的肠道定植强烈偏向于非鞭毛细菌。
• 缺乏抗菌c型凝集素Reg3γ或TLR5衔接蛋白Myd88的小鼠未能表现出细菌选择。因此，肠上皮TLR5，MYD88和REG3构成新生儿肠道中鞭毛细菌的反选择回路。
  
• Tlr5−/−（缺陷型）和Tlr5+/+（野生型）怀孕母鼠生产后，将它们分别与它们的幼崽一起饲养，新生儿只与相同基因型的动物一起饲养，并对新生儿进行分析其微生物。出生后8天，Tlr5/和Tlr5fi/fi小鼠肠道微生物群的组成存在显着差异（P=0.001），这与Tlr5表达对早期肠道微生物群的影响一致。
• 杂交来源于相同Tlr5+/+(野生型)和Tlr5-/-(缺陷型)父母的杂合Tlr5+/-小鼠，并检查了出生后8天在同一窝中饲养的后代。在这些条件下，Tlr5f-/-(缺陷)新生儿小鼠与他们的Tlr5的母亲（Tlr5+/-）和同窝仔（Tlr5++/）共同饲养。主坐标分析显示微生物组成没有显著差异（P=0.669）。说明了在出生后早期表征基因介导的对肠道微生物群建立的影响的存在挑战，强调了母系、同窝动物和其他环境因素在生命早期发挥了强大的主导作用。
  
• 比较了Tlr5(-/-)来源的小鼠菌群（TLR5菌群）和野生型Tlr5（+/+）来源小鼠的菌群（WT菌群）在新生儿和成年野生型无菌小鼠中的发育情况，这些宿主在转移后14,21和28天置于无菌微隔离笼中，Unifrac分析证实野生型新生儿宿主中WT和TLR5微生物群之间的距离（即相似性增加）随着时间的推移显著降低（P<0.0001），而转移到成年宿主时该距离没有降低。。而WT和TLR5微生物群之间的差异在成年动物中保持不变，在新生小鼠中它们随着时间变得更加相似。
• WT和TLR5菌群转移到无菌野生型和无菌TLR5缺陷型小鼠中，观察到供体WT和TLR5微生物群在转移到野生型新生小鼠而不是成年小鼠时的相似性增加。然而，仅在转移到新生野生型小鼠而不是Tlr5缺陷型新生小鼠时观察到相似性的增加。
• 将菌群从Tlr5缺陷型小鼠移植到成年无菌野生型小鼠导致粪便鞭毛蛋白的浓度明显高于将WT微生物群转移到成年无菌野生型小鼠后发现的浓度。相比之下，转移WT或TLR5微生物群后，新生儿接受者的粪便鞭毛蛋白水平没有差异。因此，在鞭毛细菌早期定植期间重塑益生菌微生物群的能力似乎局限于出生后期，但对肠道微生物群产生持久影响。

文章亮点

1. 合理设计实验，思路清晰，内容严谨，利用菌的竞争性定植实验，无菌小鼠培养的比较微生物群转移实验，单独饲养，共同饲养以及杂交等实验技术手段，合理控制每一步的变量，规避干扰项对结果的影响。（值得借鉴）
2. 确定了新生儿宿主上皮中的一个特定调节回路，形成了肠道微生物群的建立并限制了定植的鞭毛细菌的扩散。（TLR5，抗菌c型凝集素REG3γ，TLR5接头蛋白MYD88构成新生儿肠道中鞭毛细菌的反选择回路）

不足之处

1. 未证明TLR5是直接通过对鞭毛病原体的识别和反应起作用，或通过微生物群的改变间接起作用，进而赋予代谢产物或免疫学后果，可深入挖掘。

文章意义

成年宿主中有益的微生物群在婴儿早期形成。这也许可以解释为什么在生命早期干扰微生物群建立的环境因素会影响成年期的免疫稳态和健康。

文章链接和参考文献

1. 点击查看原文献
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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