iMeta | 中农马曦组综述肠道菌群与干细胞巢互作维持肠内稳态平衡

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肠道菌群-干细胞巢互作：维持肠内稳态的未来之星

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/imt2.54

RESEARCH ARTICLE

●2022年9月27日，中国农业大学马曦团队在iMeta在线发表了题为“Gut microbiota-stem cell niche crosstalk: A new territory for maintaining intestinal homeostasis”的文章。

● 本文综述了肠道干细胞与肠道微生物互作的主要研究进展，探讨肠道菌群对肠干细胞的调控作用。

●  第一作者：马宁

●  通讯作者：马曦（[e-mail]）

●  主要单位：中国农业大学动物科学技术学院、明尼苏达大学中西部研究与推广中心

摘   要

肠上皮细胞依靠局部的生态位（干细胞巢）进行快速的细胞周转，以支持肠干细胞的功能和自我更新。关于肠道干细胞与疾病间关系的研究在一直不断深入，然而，肠干细胞和肠道微生物的相互作用机制仍有待阐明。因此，本文综述了肠道干细胞与肠道微生物互作的主要研究进展，主要着眼于：(1) 肠道干细胞巢的组成及其如何在Wnt、BMP和Notch通路的参与下调控肠上皮稳态和预防肠道疾病; (2) 肠干细胞的分化命运及其与肠道菌群间的相互影响; (3) 在Wnt和Notch信号的参与下，肠道菌群如何通过模式识别受体调节肠干细胞功能；(4)特定菌群相关的后生元如何影响肠干细胞以维持肠上皮的再生和稳态。考虑到肠道菌群-干细胞巢具体的相互作用尚不清楚，有必要进一步探讨肠道菌群对肠干细胞的调控作用，以便进一步利用肠道菌群缓解肠道疾病。此外，这些重大进展共同推动微生物移植在再生医学和临床癌症治疗方面的突破。

关键词：肠道干细胞，生态位，菌群，后生元，肠道疾病

亮   点

● 干细胞受干细胞巢保护，同时被Wnt、BMP和Notch调控；

● 肠干细胞及其与肠道菌群的关系为缓解肠道疾病提供了一条可行的途径；

● 细菌相关的后生元可调控肠道干细胞并维持其稳态。

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全文解读

引  言

肠干细胞(ISC)可分化为肠上皮细胞(IECs)和肠内分泌细胞(EECs)，在调控哺乳动物肠上皮的快速和长期更新中发挥重要作用。肠上皮由绒毛和隐窝组成，位于隐窝底部的肠道干细胞指导肠道上皮细胞的自我更新。肠干细胞的功能与它们所处的微环境密切相关，这一微环境也被称为干细胞巢。肠道干细胞标记物的鉴定、类器官的分离和体外培养以及转基因模型的使用为我们了解肠道干细胞的自我更新和分化具有很大帮助。因此，扩展我们对决定肠道干细胞命运的调控机制的理解是至关重要的。许多免疫相关疾病，如炎症性肠病(IBD)和肠易激综合征(IBS)，会在受到一系列外源性和内源性因素的影响时发生。虽然炎症性肠病和肠易激综合征的确切病因尚不清楚，且存在争议，但显而易见的是，激活的肠道干细胞增殖在肠道完整性的恢复中起着关键作用。因此，调控经由Wnt、BMP和Notch信号介导的肠道干细胞的增殖和分化对修复肠道损伤具有重要意义。

与其他干细胞不同，肠道干细胞与肠道微生物持续接触，但关于肠道微生物对肠道干细胞功能的影响却知之甚少。肠道及其多样化的代谢产物，与肠道干细胞密切互作，并调控干细胞/祖细胞的发育和更新周转，然而，这种相互作用的详细机制仍然未知。

在复杂的肠道生态系统中，密集而多样化的微生物群落参与了宿主多个关键生理功能的调控，包括但不限于上皮成熟、免疫刺激和代谢稳态。这些反应是由细胞间直接相互作用或局部产生的代谢产物触发的。特定的微生物群衍生的信号直接影响肠道干细胞的方式仍然未知。本文旨在综述肠干细胞巢的基础上，阐明肠道干细胞与肠道微生物之间的相互作用。肠道菌群-干细胞巢互作的重大进展将共同推动我们更接近肠道疾病干预潜在靶点的突破。

肠道干细胞巢与干细胞分化命运

● 肠道干细胞巢：对肠道干细胞的新见解

肠道干细胞是具有自我维持、自我更新和多向分化能力的多能干细胞。许多肠道干细胞群体遵循快速增殖的分裂模式，它们以富含亮氨酸重复序列的G蛋白偶联受体5 (Lgr5)为标志。这类细胞寿命很短，它们以一种被称为“neutral drift”的随机方式更迭替换。Lgr5+肠道干细胞位于隐窝底部潘氏细胞(PCs)的中间。当R‐spondin (Rspo)与Lgr5受体结合时，Wnt配体信号将被放大。Wnt是维持肠道内稳态所必需的，此外，Rspo对于维持肠道干细胞和隐窝是必不可少的。除了隐窝基柱状细胞(以Lgr5为标记)外，Bmi1标记的+4细胞被认为是另一类候选干细胞群，这种缓慢循环的储备隐窝干细胞群缺乏典型的Wnt信号来调节分化。两种类型的肠道干细胞都具有分化成成熟肠上皮细胞的能力，也可以在一定条件下相互转化。

肠道干细胞可以分化为短暂扩增细胞 (TA细胞)，以增殖和再生，确保在损伤情况下正常肠上皮的更新和组织再生。肠道干细胞在复杂的调控机制下分化为不同类型的吸收或分泌细胞谱系，如潘氏细胞、杯状细胞和肠内分泌细胞。它们与肠道微生物广泛接触，影响微生物的活力和定植。在每个隐窝的底部，这些肠道干细胞能够通过产生祖细胞 (TA) 来完成自我更新。TA细胞快速分裂，向上迁移，并进一步分化。肠上皮细胞、杯状细胞和内分泌细胞继续向上移动到绒毛并在凋亡后脱落到肠腔，而潘氏细胞向下移动并驻留在基底(图1)。

图1：肠干细胞巢：肠道干细胞生存的微环境

干细胞在整个生命周期内作用于小肠和大肠的更新和维护。在小肠中，干细胞巢大致可分为三个区:分化区、TA细胞区和干细胞区。Lgr5+的肠道干细胞与潘氏细胞一起位于隐窝的底部，而+4细胞则位于潘氏细胞的正上方。在大肠中，绒毛缺失，位于肠道基底部的隐窝成为肠干细胞的主要位置。除了增殖TA细胞、Lgr5+干细胞等外，还有一种能激活Wnt信号通路的特化的非上皮细胞。这种细胞被鉴定为telocyte细胞，其特征是产生Foxl1和Gli1。ISCs, intestinal stem cells; Lgr5, leucine‐rich repeat‐containing G protein‐coupled receptor 5; PC, paneth cell; TA, transit amplifying

● 干细胞巢中调节肠道干细胞增殖和分化的信号通路

肠道干细胞的正常功能依赖于一个由潘氏细胞、肠上皮下肌成纤维细胞和肠基质细胞组成的支持性微环境。该微环境的正常运行受到多种因素的调控，包括肠道微生物、肠内营养、内分泌系统和几种信号通路。其中Wnt、BMP和Notch信号共同调节肠道干细胞的功能(图2)。

Wnt信号通路诱导肠道干细胞增殖和自我更新

Wnt是驱动肠干细胞增殖的主要信号通路，并抑制肠干细胞的分化。在这个过程中，Wnt的活性沿隐窝-绒毛轴逐渐下降，并在绒毛处达到最低，这正是分化的确切位置。这一功能是由于Wnt对Apc destruction complex和β‐连环蛋白的持续调控实现的。细胞质中的Apc destruction complex由Apc、Axin2、CK1和GSK-3β组成。Wnt信号通路通过与细胞表面低丰度的脂蛋白受体相关蛋白(LRP5/6)结合从而分解Apc destruction complex。细胞质中分解的APC destruction complex随后分解磷酸化的β‐catenin并将其转移到细胞核中，在细胞核中，β‐catenin与Tcf4结合激活肠道干细胞的靶基因(图2)。 

Wnt信号通路的激活表明其在调节上皮内稳态中的重要性。在大多数APC基因突变的结直肠癌中已发现激活的Wnt信号通路。在少数Apc阳性结直肠癌病例中，也观察到β - catenin的突变，β - catenin是Wnt信号通路的一个关键上游效应因子。

Wnt信号通路是在出生后建立肠道干细胞隔室所必需的。Dkk1在肠道中作为Wnt信号通路的抑制剂，其异位表达减少了成年小鼠中肠道干细胞和增殖细胞的数量。腺病毒表达的Dkk1减少了干细胞的间隔性，损害了干细胞的自我更新，这一反应与肠道特异性敲除Ctnnb1所观察到的反应相似。考虑到Tcf4受Wnt信号通路中β‐catenin的影响，敲除编码Tcf4转录因子的Tcf7l2会导致肠黏膜隐窝的缺乏而具有致死性。c-Myc是Wnt的靶基因，它的缺失会导致增殖隐窝的破坏。然而，Wnt信号通路的过度激活会导致过度增强的肠道干细胞增殖，最终导致肠腺瘤。因此，Wnt信号对肠道干细胞的维持至关重要，其活动受到多种机制的严格调控(图2)。

BMP信号通路调节肠道干细胞分化

BMP信号通路随着其配体在绒毛内和隐窝周围间充质中的表达而增加其活性。BMPRII与BMP配体结合并激活BMPRI(图2)。磷酸化受体调节的Smads随后与Smad4结合，转运到细胞核中，并调节靶基因转录。粘膜下区域产生BMP信号通路的拮抗剂，如Noggin和Chordin，它们属于TGFβ超家族。

BMP信号通路抑制了肠道干细胞的自我更新、增殖和复制，从而阻止了其数量的增加和隐窝的裂变，促进细胞分化(图2)。相应地，在BMP信号通路受抑制的小鼠中，其小肠出现大量异常隐窝，表明BMP信号通路能够防止肠道增生。在Noggin转基因小鼠中，肠上皮绒毛中检测到带有肠道干细胞和增殖细胞的突变型隐窝，这可能会导致胃肠道癌症。突变的Bmprla和Smad4出现在青少年息肉综合征(一种高风险腺癌综合征)中。条件性敲除Bmprla的小鼠，肠道干细胞间隔扩大，最终导致肠腺瘤。此外，据报道，第10号染色体上缺失的PTEN基因通过PI3K介导BMP和WNT的下调。此外，BMP信号通路已被证实可以抑制Wnt来控制肠道干细胞的自我更新(图2)。

BMP在隐窝中表达较低，而在绒毛中分化较多的细胞中表达较高，因此严格控制BMP的激活是必要的。BMP信号抑制上皮细胞去分化，通过上调Grem1衰减相关通路对肠道再生的适应性重编程是必须的。具体到分化的细胞类型，肠上皮中的BMP信号驱动一个关键的反馈回路，以抑制IL-13驱动的簇状细胞增生。BMP7-ALK3还促进粘膜langerhans细胞前体向上皮细胞的易位，langerhans细胞起源于前树突状细胞和单核细胞。因此，BMP信号的调控为IBD治疗途径提供了可能。

Notch信号通路维持肠道干细胞，平衡分泌和吸收祖细胞

Notch信号通路在调节肠黏膜再生中起着关键作用。Notch信号由受体、配体和DNA结合蛋白组成(图2)。在哺乳动物中，Notch受体(Notch1-4)广泛分布于淋巴细胞、内皮细胞和肠上皮细胞。膜结合配体(Jagged1,3和Delta‐like1,3,4)与邻近细胞中的受体和TNF - α转化酶相互作用，通过γ分泌酶介导的蛋白水解释放Notch蛋白的胞内结构域(图2)。可溶性Notch蛋白胞内结构域移动到细胞核，并通过与转录因子重组信号结合蛋白(RBP)结合调节基因表达。

Notch的激活促进肠道干细胞增殖，并决定肠道干细胞的分化命运(图2)。生理上，肠道干细胞通过增殖和凋亡维持稳定状态。与健康状态相比，在上皮细胞损伤的情况下，更多的干细胞增殖用于修复和重建。因此，Notch信号通路的激活是修复结肠粘膜损伤所必需的。最近，研究人员观察到，在接受Notch信号抑制剂治疗的小鼠中，

柱状细胞的数量减少，肠上皮基底部的凋亡细胞死亡增加，并在大约20周后，发展为溃疡性结肠炎(UC)，还观察到结肠皮质丧失、炎性细胞浸润和少量上皮细胞再生。在其他研究中，Notch信号通路通过增加潘氏细胞中PLA2G2A的分泌，促进肠道祖细胞增殖，调节肠道干细胞的免疫功能，从而缓解溃疡性结肠炎。

干细胞增殖后，分化为不同类型的细胞。Notch信号通路在有丝分裂后期影响肠祖细胞。Notch信号通路的激活促进了吸收谱系的分化，并抑制了分泌谱系的形成。靶基因RBP-J的缺失和Dll1的抑制会导致Lgr5+干细胞的减少和杯状细胞的增加。这种对肠道干细胞发育的调控是通过表达7个Notch靶基因，如Hes1来实现的。Hes1抑制Math1，Math1是分化为分泌谱系的核心转录因子。分别敲除Math1和Hes1具有相反的效果。Hes1缺失增加肠道中的分泌细胞，减少吸收细胞(图2)。综上所述，Notch信号通路与Wnt信号通路共同维持肠道干细胞的干性，并促进其分化为吸收谱系。

图2：肠道干细胞增殖分化的模式及信号转导途径

肠道干细胞生态位的正常运作是通过多种信号通路的调控来实现的。Wnt、BMP和Notch信号分子调节肠道干细胞的功能。适度激活Wnt信号通路可诱导肠道干细胞增殖和自我更新；然而，过度信号转导引起的异常增殖也会导致肠腺瘤的发生。BMP信号通路负向调节肠道干细胞的自我更新、复制和增殖。其活性由BMPRII、BMPRI、TGFβ、R‐SMAD和SMAD4的级联调控严格控制。Notch信号通路的激活在促进肠道干细胞增殖和限制肠道干细胞分化中起着决定性作用。这种肠道干细胞分化命运的决定是通过增加吸收谱系分化而抑制分泌谱系分化来实现的。受体、膜结合配体(Jagged1,3和Delta‐like1,3,4)和DNA结合蛋白构成了Notch的主要成分。TNF‐α‐转化酶、Hes1、Math1和RBP‐J在调控中起着重要作用。PTEN通过PI3K信号通路介导BMP对Wnt的抑制。同时，Wnt与Notch的协同作用在维持肠道干细胞的干性方面发挥着重要作用。APC, adenomatosis polyposis coli; BMP, bone morphogenetic protein; BMPR, bone morphogenetic protein receptor; c‐Myc, cellular Myc; Dkk1, Dickkopf‐related protein 1; Hes1, hairy and enhancer of split 1; ISC, intestinal stem cell; LRP6, lipoprotein receptor‐related protein 6; Math1, mouse atonal homolog 1; PI3K, phosphatidylinositol 3‐kinase; PTEN, phosphate and tension homology deleted on chromosome 10; RBP, recombination signal binding protein; R‐SMAD, receptor‐associated SMAD; SMAD4, drosophila mothers against decapentaplegic protein; TGFβ, transforming growth factor β; TNF‐α, tumor necrosis factor alpha.

肠道干细胞及其与肠道菌群的关系:缓解肠道疾病的可行途径

炎症性肠病，包括克罗恩病和溃疡性结肠炎，是破坏胃肠道稳态的关键因素。保持肠道屏障的完整性无疑是缓解炎症性肠病的一个可行策略。与其他干细胞不同，肠道干细胞位于肠隐窝基部，与肠道细菌和黏膜免疫系统共存。这三者共同在上皮再生、病原体抵抗和炎症缓解中发挥关键作用(表1)。

●  肠道干细胞分化影响肠道微生物

肠道干细胞的增殖分化受Notch、Wnt、BMP等信号通路共同调控。Notch信号主要控制肠道干细胞的分化方向，其信号激活导致分泌细胞(包括潘式细胞、杯状细胞和内分泌细胞)减少，而吸收细胞分化增加。吸收细胞可以分泌IgA。SIgA发挥免疫排斥功能，识别细菌，介导抗原交联，避免条件致病菌进入和在体内传播。在小鼠肠道中，特异性IgA抗体干预可有效保护小鼠免受病原体感染，包括鼠伤寒沙门氏菌、霍乱弧菌、福氏志贺氏菌和幽门螺杆菌。此外，抗原-SIgA复合物将被M细胞识别。处理后的复合物更容易从肠腔排出或呈现给树突状细胞以诱导对细菌的免疫反应。

潘式细胞分泌Wnt蛋白可维持肠道干细胞去分化。潘式细胞是隐窝中唯一的分化细胞类型，通过分泌α/β防御素、抗菌肽等来保护干细胞和增殖细胞。此外，Rspo结合Lgr-家族成员也可以刺激Wnt信号。Rspo3-Lgr5轴诱导分泌细胞分化并分泌抗菌蛋白，如内凝集素1。内凝集素1结合并聚集幽门螺杆菌，损害其运动能力。除了Notch和Wnt信号外，BMP信号通过抑制Wnt信号促进细胞分化。TGFβ/BMP免疫信号影响秀丽隐杆线虫肠道共生菌的丰度和功能。TGFβ/BMP的破坏使一种通常有益的共生肠杆菌转化为病原体。肠道中有多种与肠道干细胞密切相互作用的微生物群落。肠道菌群通过直接杀菌作用、与病原体竞争和益生作用，在维持机体生理状态方面发挥着重要作用。然而，它们的失调可能会导致宿主肠道失衡，导致肠易激综合征

表1 特定肠道微生物对肠道干细胞功能的影响

●  肠道微生物的存在影响肠道干细胞的更新速率

无菌(GF)动物(包括无菌果蝇、斑马鱼、小鼠和猪)和肠道类器官是研究微生物在肠道和肠干细胞稳态中作用的理想模型。此外，猪肠道类器官已经被培养并广泛应用于农业、兽医和生物医学研究。与正常动物相比，无菌动物结肠的增殖率降低，隐窝内的细胞也更少。在无菌动物中还可以观察到，如绒毛毛细血管网络和消化酶活性降低、派伊尔结减少和蠕动活性受损等变化。然而，在无菌动物中定植细菌后，这些变化会被逆转到正常水平。拟杆菌在无菌动物肠道中的定植会改变与肠道屏障功能、代谢、血管生成和神经系统相关的基因表达。肠道微生物也可以激活宿主的免疫系统。Mazmanian等的实验表明，无菌小鼠中CD4+ T细胞的比例降低。脆弱拟杆菌定植无菌小鼠可增加多糖A的产生，从而有利于T细胞数量的增加。此外，革兰氏阴性菌产生的肽聚糖对淋巴滤泡的形成至关重要。肠道微生物的存在也会影响肠道干细胞和黏膜免疫系统，从而导致肠道紊乱。在有共生细菌的果蝇中，出现了增生的肠道干细胞和异常的肠道形态，这一现象会在无菌条件下消失。而对于斑马鱼来说，肠道微生物存在与否都会在缺乏PIK3C3的情况下导致类似的肠道缺陷。肠道菌群可以调节宿主上皮细胞的更新速度。益生菌可以帮助恢复受损肠道。病原体作用的发挥则均与一定的微生物密度相关。高致死剂量的致病菌感染可抑制上皮细胞更新，无毒或减毒的Pseudomonas entomophila通过微生物毒力和肠道病理影响上皮更新(图3)。Pseudomonas entomophila 和 Pseudomonas aeruginosa感染后，肠道干细胞过度增殖导致上皮细胞凋亡。

生命早期是肠道发育的重要阶段。Erdr1的表达只能在生命早期微生物群存在的情况下实现。生命早期的微生物通过诱导Wnt信号调控Erdr1介导的Lrg5+ 肠道干细胞增加、上皮细胞增殖和再生，以应对黏膜损伤。还发现了一群更喜欢在隐窝中定植的细菌，如Acinetobacter，它们为肠道干细胞提供了最佳信号，表明这些微生物群是对肠道生理有益的。此外，通过JAK-STAT信号通路，微生物可以有效地减少上皮细胞周转，并激活Upd的表达。这一过程为肠上皮提供了优势，并维持隐窝内稳态。

●  肠道特定菌群对肠道干细胞功能的影响

肠道微生物对肠道干细胞的调控具有物种特异性。Salmonella感染肠道类器官时，Lgr5和Bmi1（是肠道干细胞的鉴定标记物）的表达明显降低。Erwinia carotovora carotovora-15可诱导小鼠发生非致死感染而高剂量口服Erwinia carotovora carotovora-15可诱导细胞生长、伤口修复和应激反应相关基因(图3)。Cronin等发现了宿主对Serratia marcescens反应的相关基因，这些基因可诱导免疫反应。此外，Clostridium difficile通过一种名为TcdB的毒素破坏肠道组织，阻碍疾病恢复。明晰病原体损伤肠道干细胞的机制可以帮助开发新的治疗方法。

共生乳酸菌激活肠道干细胞的生理状态部分归因于活性氧的产生，从而刺激肠道干细胞自我更新，影响Wnt和Notch信号通路(图3)。许多氧化还原传感器参与了这一过程。通过建立小肠固有层淋巴细胞与类器官共培养体系，证实了Lactobacilli reuteri D8在硫酸葡聚糖钠处理或TNF‐α损伤后能刺激肠道和肠道类器官的生长和恢复。Lactobacilli reuteri D8的这种保护作用与Lgr5+阳性肠道干细胞的再生增加(肠道干细胞标志物Lgr5、Olfm4和Ascl2 mRNA表达增高)和潘式细胞数量增加是一致的。机制上，乳杆菌D8增强IL-22的分泌，从而激活芳香烃受体(AhR)。IL-22介导的STAT-3磷酸化活化可进一步促进肠道干细胞再生，刺激隐窝增殖，促进肠上皮恢复。在这种改变的微环境中，Reg3β和Reg3γ这两种抗菌肽的表达也会增加，可进一步限制病原体，减少细菌易位(图3)。罗伊氏乳杆菌还可以通过促进Rspo从而激活Wnt/β-catenin来维持Lgr5+细胞数量，刺激上皮细胞增殖。此外，罗伊氏乳酸菌还能将棉子糖代谢为果糖。增加的果糖形成前馈代谢循环，减少肠道干细胞周转，促进肠道干细胞增殖。共生菌群，尤其是乳杆菌，具有维持上皮内稳态和修复肠道损伤的作用。微生物疗法是缓解肠道疾病的一种有前途的途径。

图3：肠道干细胞及其与肠道菌群的关系：缓解肠道疾病的可行途径

肠道中有多种微生物群落，它们与肠道干细胞共存并密切互作。微生物群落和肠道干细胞共同在调节肠道疾病中发挥关键作用。肠道菌群可以影响黏膜免疫系统，调节肠道干细胞。模式识别受体（PRRs），尤其是能够受肠道菌群调控的TLRs和NLRs，能够进一步调节肠道干细胞巢。参与这一途径的微生物群落包括但不限于Fusobacteria, Proteobacteria, Firmicutes, Lachnospiraceae, Coriobacteria, Helicobacter pylori and Vibrio cholerae. 细菌如：Serratia marcescens, Erwinia carotovora carotovora-15, 和Pseudomonas entomophila参与影响肠道内稳态、损伤修复和肠道干细胞状态。

AhR, aryl hydrocarbon receptor; Bmi1, B cell‐specific Moloney murine leukemia virus integration site 1; cAMP, cyclic adenosine monophosphate; DSS, dextran sulfate sodium; IL‐22, interleukin 22; ISC, intestinal stem cell; Lgr5, leucine‐rich repeat‐containing G protein‐coupled receptor 5; LRP6, lipoprotein receptor‐related protein 6; NLRs, NOD‐like receptors; NOD2, nucleotide‐binding oligomerization domain 2; PKA, protein kinase A; PRR, pattern recognition receptor; Reg3, antimicrobial‐regenerating islet‐derived 3 lectins; ROS, reactive oxygen species; TLRs, Toll‐like receptors; TNF‐α, tumor necrosis factor alpha; Upd, uniparental disomy.

肠道菌群通过模式识别受体(PRRs)调节肠道干细胞生物学功能

在肠道中，中性粒细胞和巨噬细胞通过模式识别受体(PRRs)识别和响应微生物群的异常变化。模式识别受体，特别是Toll样受体(TLRs)和NOD样受体(NLRs)，不仅局限于感知病原菌侵袭或上皮性损伤，也有能力调节肠道干细胞的功能。

● 肠道菌群通过Toll样受体调节肠道干细胞的功能

TLRs通过识别共生菌的微生物相关分子模式调节肠道菌群与宿主之间的相互作用。TLRs的状态和连接蛋白影响菌群组成。另外，肠道菌群、TLR信号通路以及肠道干细胞之间的相互作用可能通过Wnt和Notch通路实现。

Lactobacillus acidophilus NCFM, Lactobacillus delbrueckii subsp. delbrueckii TUA4408L, Bifidobacterium infantis35624， fragile bacillus的多糖A均均能够促进TLR2受体表达。其中，鼠李糖乳杆菌GG是脂磷壁酸的“缓释胶囊”。脂磷壁酸作为TLR2的激动剂，与TLR2结合，诱导间充质干细胞的迁移。这一过程启动了肠道干细胞生态位来保护肠道上皮干细胞。另外，TLR4的过表达与包括易位及粘附性细菌丰度的增加相关的微生物区系的改变，都会在肠道微环境中共存。比如：结肠粘膜中的相关细菌如梭菌门和变形菌门丰度减小及厚壁菌门、毛螺菌科、革兰氏阳性红蝽菌科丰度的增加。肠道干细胞的增殖特别是Lgr5+阳性的肠

道干细胞，是通过激活肠道隐窝中的TLR4实现的。相关的Wnt信号、受刺激的Wnt受体LRP6和Wnt3a配体也被TLR4抑制或阻断。随着TLR信号通路引起隐窝增殖和凋亡率的改变，肠道内稳态发生改变，导致肠道炎症发生。

肠道干细胞也能够表达TLR4, Wnt/β-catenin是一个负反馈通路，能够抑制TLRs触发的炎症反应。而且，TLRs在调控Notch信号通路中处于关键位置，抑制Notch信号通路有助于上皮细胞向杯状细胞分化。

● NLR激活对肠道菌群的调控作用

NOD-2是NLR亚家族的重要成员，其对识别细菌和维持肠道微环境具有重要作用。NOD2参与病原体识别，微生物组成和易位的变化也会影响NOD2信号。Helicobacter pylori的感染，Bacteroides vulgatus数量的维持及杯状细胞的功能都依赖于NOD2信号。此外，CD11c+细胞中的NOD2提供了利用Vibrio cholerae产生的霍乱毒素的佐剂来识别共生微生物的途径。

在刺激下，NOD2激活了Lgr5+阳性肠道干细胞的存活，这产生了一种强大的细胞保护作用以对抗氧化应激诱导的细胞凋亡。因此，肠道上皮细胞的恢复依赖于NOD2并且在微生物衍生的分子模式下被激活。

多样化的细菌后生元对肠道干细胞的调控作用

宿主肠道和菌群之间微妙而复杂的相互作用对肠道干细胞的增殖和分化至关重要，肠道干细胞可调控上皮细胞再生，我们统称为细菌相关产物的微生物成分或者代谢物在这种相互作用中通常作为一种重要的媒介。细菌相关产物，如色氨酸代谢物，短链脂肪酸（SCFAs），内毒素和肽聚糖等，他们可以进入宿主细胞并调控肠道功能。特定分子会影响肠道干细胞稳态中的重要方面，这有望作为调控宿主正常生理机能和疾病，如IBD、肥胖、哮喘和心脏病的重要靶点。

● 微生物代谢色氨酸通过芳基烃受体来维持肠道干细胞内稳态

AhR最初被归类为环境传感器，但现在被描述为肠干细胞的“看门人”（gatekeeper）。营养和肠道菌群是相互联系的。高含量的膳食色氨酸能够促进色氨酸代谢菌的生长和AhR配体的生成，从而推动益生功能，如免疫稳态、肠道屏障功能等(图4)。

AhR激活的一个重要作用是控制肠道干细胞的过度增殖。AhR通路失调导致老年小鼠肠道干细胞增殖异常。机制上，AhR失调会干扰在肠道干细胞更新、分化和维持中执行关键作用的Wnt-β-Catenin信号通路，并被RNF43和ZNRF3紧密调控。

上皮AhR缺失导致炎症诱导的肿瘤发生增强，并损害肠干细胞的再生和分化能力。由于没有能力应对上皮损伤，炎症过程将持续进行并会形成结直肠癌。幸运的是，在补充微生物产生的AhR配体后，Wnt-β-Catenin信号通路的调节可恢复，肿瘤的发生进程可以暂停。

在肠道中，在微生物群的直接或间接控制下，三种主要的色氨酸(Trp)代谢途径产生血清素、犬尿酸和吲哚衍生物。表达色氨酸酶的肠道菌群，如Escherichia coli, Symbiobacterium thermophilum, Peptostreptococcus russellii,Vibrio cholerae, Chromobacterium violaceum, Lactobacillus spp, Acinetobacter oleivorans, Serratia marcescens 和Pseudomonas chlororaphis将色氨酸代谢为吲哚。吲哚及其衍生物，如IAld，IAA, IPA, IAAld和吲哚丙烯酸是重要的信号分子。这些分子激活AhR并介导AhR对肠道干细胞的调控。此外，在促炎细胞因子的诱导下，犬尿酸途径主要介导色氨酸代谢。这一过程由哺乳动物肠道中的IDO调节，产生kynurenine，后者作为AhR的配体和受体激动剂发挥作用。在kynurenine和IDO‐1的参与下，AhR的激活可适度诱导杯状细胞分化。此外，kynurenine也被证实在Hes1、Hath1、Wnt、Notch和AhR的调控信号下促进杯状细胞分化。

●  短链脂肪酸对肠道干细胞稳态的影响

细菌代谢物和肠道功能之间的关系是很明确的。例如，SCFAs是上皮细胞的重要能量来源和信号分子。研究人员已经鉴定出几种SCFA受体，其潜在的调控途径涉及营养代谢和肠道干细胞增殖和分化。中性粒细胞和嗜酸性粒细胞中G蛋白偶联受体GPR43的高表达可以识别SCFAs，并建立SCFA与免疫系统之间的联系。丁酸是组蛋白去乙酰化酶（HDAC）的抑制剂或GPCRs的配体，在生理浓度下可以通过抑制肠祖细胞增殖来影响肠屏障功能和调节干细胞活性(图4)。由于丁酸盐抑制了肠干细胞的增殖，会导致肠组织在修复损伤时的恢复延迟。最近的一项研究进一步支持了隐窝结构的存在在丁酸调控肠道干细胞中的作用。分化的结肠上皮细胞产生丁酸盐，这可能导致隐窝丢失，抑制增殖和延迟创面修复，这可能是为了阻止丁酸盐接触隐窝内增殖的肠道干细胞。

● 细菌细胞壁组分与肠道干细胞的关系

肽聚糖是细菌细胞壁的主要成分。作为一种免疫增强剂，肽聚糖可用于增强抗病能力。天然提取的肽聚糖在临床上应用有限。活性肽聚糖，MDP具有很强的免疫潜力。MDP可诱导Lgr5+ 肠道干细胞增殖并抑制氧化应激下的细胞凋亡。由于NOD2的激活，MDP提供的这种保护只在损伤的情况下发生(图4)。Lgr5+的肠道干细胞中NOD2的细胞质水平明显高于潘氏细胞。

内毒素存在于革兰氏阴性菌的细胞壁中，其主要成分是脂多糖(LPS)。LPS是TLR4的调节剂，可减少小鼠Lgr5+肠道干细胞或类器官的增殖(图4)。在TLR4敲除小鼠中，LPS对肠道细胞无抑制作用。然而，这种现象可以通过β-catenin的激活而逆转。激活的TLR4降低新生小鼠上皮细胞中Akt的磷酸化。Akt是GSK‐3β磷酸化的负调控因子。因此，完整的Apc复合体导致β-catenin的降解和细胞增殖的减少。然而，TLR4过表达激活Wnt/β‐catenin信号，导致结肠上皮细胞增殖、隐窝加深，肿瘤进展。

肠道干细胞可表达PRRs，如TLR4、NOD2等。LPS激活TLR4，诱导肠道干细胞死亡。然而，MDP通过NOD2保护肠道干细胞。在健康人体内，LPS和MDP都存在于肠道中，并相互阻碍对方的作用。

图4：微生物代谢产物通过改变肠道干细胞调节生理功能和肠道疾病

色氨酸（Trp）通过AhR维持肠道干细胞内稳态。无论是细菌代谢色氨酸产生的代谢产物，还是受IDO调节的Kyn，都分别作为AhR配体和AhR受体激动剂调节AhR活性。短链脂肪酸（SCFAs）被认为是肠道干细胞的效应器。丁酸盐作为组蛋白去乙酰化酶（HDAC）的抑制剂或G蛋白偶联受体（GPCRs）的配体，在生理浓度下可抑制肠道干细胞的增殖。然而，隐窝结构和结肠上皮细胞可以保护肠道干细胞和祖细胞，以减轻这种影响。内毒素存在于革兰氏阴性菌的细胞壁中，由LPS和肽聚糖组成。LPS作用于TLR4，通过调节Akt、Apc复合体和Wnt信号通路的磷酸化，降低Lgr5+ 肠道干细胞或类器官的增殖。肽聚糖增强MDP，进而诱导Lgr5+ 肠道干细胞的增殖，并通过NOD‐2及下游的NF‐κB发挥细胞保护作用。细菌合成代谢产物，包括棕榈酸，通过PPARδ和TNF‐α激活Wnt信号。TNF‐α促进GSK‐3β磷酸化并使Apc复合体（Wnt信号的负调控因子）失活。AhR, aryl hydrocarbon receptor; Akt, protein kinase B; Apc, adenomatosis polyposis coli; CK1, Casein kinase 1; c‐Myc, cellular Myc; GPR43, G protein‐coupled receptor 43; GSK‐3β, glycogen synthase kinase‐3 beta; HDAC, histone deacetylase; Hes1, hairy and enhancer of split 1; IDO, indoleamine 2,3‐dioxygenase; ISC, intestinal stem cell; Kyn, kynurenic acid; LPS, lipopolysaccharide; MDP, muramyl dipeptide; NF‐κB, nuclear factor kappa B; NOD, nucleotide‐binding oligomerization domain; PPARδ, peroxisome proliferator‐activated receptor δ; RNF43, Ring Finger Protein 43; SCFAs, short‐chain fatty acids; Tcf4, T‐cell factor 4; TDO, tryptophan‐2,3‐dioxygenase; TLR4, Toll‐like receptor 4; TNF‐α, tumor necrosis factor alpha; Trp, tryptophan; ZNRF3, Zinc And Ring Finger 3.

● 肠道干细胞与饱和脂肪酸的关系

棕榈酸是一种分布于动植物体内的饱和脂肪酸。研究证明，棕榈酸是细菌在脂肪产生过程中合成的。棕榈酸配合PPARδ激动剂可增加肠道干细胞和TA细胞数量，提高其类器官再生效率。而敲除肠PPARδ后，对肠道干细胞和TA细胞没有影响。PPARδ激动剂可将肠道干细胞和TA细胞的β-catenin移入细胞核，激活其靶基因的表达，导致细胞增殖和潜在的肿瘤发生。棕榈酸可增加结肠TNF-α浓度。TNF-α可诱导GSK-3β磷酸化，降低Apc破坏复合物对β-catenin磷酸化降解的分解作用。这一机制通过更多的转位进入细胞核完成，然后促进Wnt靶基因c‐Myc和cyclin D1的表达，导致结肠干细胞增殖增强(图4)。棕榈酸是高脂饮食的主要成分，增加了具有干性或成瘤特征的肠道干细胞和祖细胞数量，且可以转化为肿瘤的细胞数量也相应增加。

结  论

肠道内稳态依赖于肠道干细胞自我更新和分化之间的动态平衡。肠道干细胞巢、肠道菌群、代谢产物、内分泌和免疫系统等因素共同调节着肠道干细胞的生理活性。在这篇综述中，我们重点关注了靶向肠道干细胞巢在疾病治疗中的作用，以及我们目前对微生物调控和干预这一过程的理解。尽管在过去几年里，对肠上皮机制的认识取得了快速的进展，但肠上皮的特性仍有待进一步研究。干细胞巢中的肠道干细胞如何保护宿主免受肠道疾病的侵害?微生物在肠道中的定植是如何影响肠内细胞的分化、增殖和肠道干细胞的命运?内源性和外源性因素如何与肠道干细胞和微生物相互作用，共同影响肠道内稳态?这些问题都需要得到回答。因此，本文综述了肠道干细胞巢研究的主要进展，以及微生物群与肠道干细胞之间复杂的相互作用，这有可能成为与肠道疾病密切相关的治疗靶点。鉴于肠道菌群与肠道干细胞的详细相互作用机制尚不明确，我们希望本文的内容能够填补空白，并为肠道干细胞领域提供有用的信息。此外，这些领域内的重要进展也共同推动了我们通过微生物移植在再生医学和癌症治疗方面的临床突破。

引文格式

Ning Ma, Xiyue Chen, Lee J. Johnston, Xi Ma. 2022. Gut microbiota-stem cell niche crosstalk: A new territory for maintaining intestinal homeostasis. iMeta e54. https://doi.org/https://doi.org/10.1002/imt2.54

作者简介

马宁（第一作者）

●  中国农业大学博士研究生

●2017年本科毕业于中国农业大学，之后在动物科学技术学院马曦教授指导下攻读博士学位。第一作者于Compr Rev Food Sci F，Med Res Rev，Crit Rev Food Sci，Gut Microbes等期刊发表论文9篇，累计IF=86.70，累计他引550次，其中2篇高被引论文，1篇封面论文。参与国家自然科学基金3项，连续两年获得博士国家奖学金，获评北京市三好学生，中国农业大学五四青年标兵，Nutreco杰出青年研究者全球第二名（中国地区唯一入选），诺伟司国际优秀研究生奖学金等荣誉。主要研究方向为肠道微生物与黏膜免疫，为经由调控肠道微生态改善肠道健康提供营养干预方案

马曦（通讯作者）

●  中国农业大学教授，博士生导师。国家优秀青年科学基金获得者，入选教育部青年长江学者、国家万人计划科技创新领军人才、科技部青年科技创新领军人才计划等

●  主要从事动物营养领域科研和技术创新，研究方向为仔猪生理和营养代谢调控，围绕肠道微生物与宿主黏膜免疫互作，细菌素与生物饲料研发开展了一系列研究。获得国家自然科学基金委海外及港澳学者合作项目和重点项目，十三五国家重点研发计划项目的连续资助，相关基础研究成果在近5年以通讯作者在 Nano Today，Adv Sci，Adv Nutr，J Nutr等领域权威期刊发表，其中包括封面论文4篇，Web of Science高被引论文9篇。担任 Gut Microbes、J Anim Sci Biotechno、Front Nutr 等领域权威期刊的编委

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期刊简介

“iMeta” 是由威立、肠菌分会和本领域数百位华人科学家合作出版的开放获取期刊，主编由中科院微生物所刘双江研究员和荷兰格罗宁根大学傅静远教授担任。目的是发表原创研究、方法和综述以促进宏基因组学、微生物组和生物信息学发展。目标是发表前10%(IF > 15)的高影响力论文。期刊特色包括视频投稿、可重复分析、图片打磨、青年编委、前3年免出版费、50万用户的社交媒体宣传等。2022年2月正式创刊发行！

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