李海博士Nature重大突破：菌群如何塑造抗体库（附专访）| 热心肠日报

今天是第1543期日报。

今天日报的头条，我们特别报道瑞士伯尔尼大学 Andrew Macpherson 教授团队在顶级学术期刊 Nature 上最新发表的研究，题目为“Mucosal or systemic microbiota exposures shape the B cellrepertoire”。该研究揭示了不同的微生物刺激路径和顺序，在塑造 B 细胞库方面的特点和差异。我们特别附上对该研究的共同第一作者李海博士的专访，以飨读者。

Nature：菌群刺激塑造B细胞库，路径和顺序很关键

Nature[IF:42.778]

① 用单菌株短暂刺激无菌小鼠，不同刺激路径可塑造不同的B细胞Ig库，以抗体重链的差异为特征，主要发生在记忆B细胞和浆细胞中；② 肠粘膜刺激主要引起识别细菌膜组分的IgA寡克隆应答，IgA库多样性随细菌剂量增加而减少，系统刺激（血液）则诱导多样化的IgG库，识别细菌膜和胞质组分，其多样性随剂量而增加；③ 短暂的粘膜预刺激能大幅敏化之后系统免疫对同一菌株的反应性，反之则不行；④ 用两种菌先后进行系统刺激能增加IgG库多样性、促进对两种菌的应答，而粘膜刺激时第2种菌会削弱对第1种菌的IgA应答。

Mucosal or systemic microbiota exposures shape the B cell repertoire
08-05, doi: 10.1038/s41586-020-2564-6

【主编评语】微生物可刺激宿主的免疫系统，使B细胞数量增多、诱导生成免疫球蛋白（Ig）抗体。每个动物都有独特的B细胞库，但菌群对B细胞库的塑造作用人们仍不清楚。Nature最新发表了瑞士伯尔尼大学Andrew Macpherson教授团队、李海博士为共同第一作者的研究论文，对这一问题进行了回答。该研究使用无法增殖的活细菌对无菌小鼠进行短期刺激，并通过单细胞深度测序追踪了B细胞Ig库的变化，揭示出微生物刺激的不同路径（粘膜vs系统）、剂量和顺序对Ig库组成和功能的差异性影响。这些发现扩展了人们对菌群调控宿主免疫的认知，推荐专业人士学习参考。（@mildbreeze）

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李海博士，2011 年博士毕业于中国科学院上海生命科学研究院，主要从事 T 细胞发育和 T 细胞外周功能研究。之后加入瑞士伯尔尼大学 Andrew Macpherson 教授实验室，从事博士后研究，并于 2017 年起担任高级研究助理至今，主要通过无菌动物模型、细菌培养、多组学分析（宏基因组、宏转录组、代谢组等），以及分子生物学和免疫学研究方法等，研究宿主-微生物组的相互作用，在肠道菌群对宿主免疫应答的影响，以及肠道黏液层相关细菌生态位等研究上，取得了多项重要成果。相关成果发表于Nature，Science，Immunity，Nature Communications 等高影响因子期刊。

问：祝贺李博士和团队的研究在 Nature 发表！可否请您介绍一下您的主要研究兴趣，以及这项研究的背景和由来？

首先特别感谢热心肠对我们研究进展的报道。我所在实验室主要研究方向是微生物肠道共生，这包括宿主所构建的肠道微环境对共生菌的作用以及机理，以及共生菌对宿主各系统的塑造作用。这项研究中，我们的研究目的是想了解共生菌是如何影响 B 细胞受体组库的形成的。

问：请问您觉得这项研究中最重要/有意思的发现和突破有哪些？

B 细胞是获得性免疫系统的一个重要组成部分，它通过识别外界抗原并分泌对应抗体来协助机体清除潜在病原。每个 B 细胞都拥有其独特的抗原识别能力，这是由抗原受体决定的。每个生物个体中现存全部 B 细胞识别能力（B 细胞库）会决定该个体对再次进入机体的不同抗原的应答。

共生菌群对宿主的免疫系统有着广泛的作用和影响，但是由于菌群的复杂多样性，共生菌如何参与塑造 B 细胞库以及由此而来的 B 细胞反应性并不清楚。

我们这项研究的亮点在于运用了单菌可逆定殖对无菌鼠进行不同路径刺激的研究思路，来简化该问题的研究。单菌可逆定殖刺激是通过工程菌的构造使得细菌只能在体外复制，进入无菌鼠体内由于必需氨基酸合成能力缺陷，会在三天左右时间内消失。

利用该技术我们发现同一菌株不同路径刺激无菌鼠会在机体内形成差别巨大的 B 细胞库，随之而来的对新进入机体的菌株反应性也不相同。这意味着宿主早期被哪些共生菌定殖会影响它未来的对外界抗原的反应性。

同时我们也阐释了系统性免疫和粘膜免疫对共生菌反应性的区别由来，系统性免疫倾向于快速清除细菌感染，所以有反应门槛低（非常少量的细菌就会引发）、反应谱系广（区别对待不同菌株和形成不同的反应性）的特点，反之粘膜免疫反应门槛很高、反应性存在上限瓶颈。这很好的解释了宿主在不同系统中的目的，在机体内快速清除细菌防止可能出现的脓毒血症，在肠道中与有益菌和平共生，互惠惠利。

问：可否请您再展开讲讲“对无菌鼠进行单菌可逆定殖”这项技术的优势和在研究中的应用？

这项技术的优势在于：

1）可逆，能够区分刺激路径，防止交叉污染，如对系统免疫用普通菌株刺激会导致菌株在肠道中定殖，进而无法区分塑造作用的来源，也排除在多菌株按顺序刺激过程中所可能出现的交叉反应或菌株间的竞争而模糊问题；

2）可控，可以控制对无菌鼠共生菌刺激的时间和刺激的剂量，从而回答免疫系统应答的有效反应剂量。

这一模型首先可以用来回答时间窗口的问题，我们知道很多免疫功能是在发育早期形成的，而且绝大部分有共生菌参与，具体是在胚胎期、在新生期还是在成年期受菌群作用形成这个问题就必须由可逆定殖来区分。此外如何区别一个现象是由肠道细菌直接作用还是由定殖所产生的免疫、内分泌变化介导，也需要这一研究模型。

我们实验室最近在 Science 也发表了对母婴界面研究的相关综述（https://www.mr-gut.cn/papers/read/1054341015），里面介绍了一个很好的例子，就是我们能够对无菌孕鼠在孕期进行共生菌刺激，可以使子代鼠诞生后表现为无菌状态，这就可以回答在孕期的肠道共生菌对子代分化发育的具体作用，也可以回答这些早期的塑造作用对子代生活周期中代谢、免疫、内分泌的具体影响。

问：这项研究表明，菌群的两种刺激路径会引起非常不同的 B 细胞应答，您觉得这一现象的背后可能有哪些原因？

我们对可能的原因做了一部分分析，首先就是对两种刺激路径形成的抗原识别的差异进行了分析，我们发现在肠粘膜系统中，形成的 IgA 主要识别细菌的表面抗原，相反在系统性免疫中，IgG 能很好的识别细菌表面和胞质抗原。

我们在进一步研究中，通过对小鼠用裂解的菌株和完整菌株刺激作比较，初步认定为两个系统的抗原递呈方式不同，系统性免疫是通过完全裂解细菌递呈全部抗原来激发反应，粘膜系统则是仅递呈表面抗原，具体原因我们有相应假设，也在进一步工作中尝试证明。

问：微生物组与免疫的相互调控作用，是目前研究的一大热点，可否请您分享一下对这个领域的研究方向和进展的看法？

微生物组和免疫系统的相互关联越来越紧密而广泛，我只能说点自己的浅见。

从 2000 年前后 Jeffrey Gordon 组利用转录组对单菌定殖的小鼠进行分析，发现大量的免疫相关基因表达差异，再到后来陆续发现的对 B 细胞，各个 T 细胞亚群，天然淋巴细胞、NK 细胞，及由此衍生的多种相关疾病的影响和联系，可以说共生菌是机体正常行使免疫功能不可或缺的组成部分。这个领域现阶段由于组学技术尤其是单细胞测序的大量应用，进展非常快。

我个人觉得对复杂微生物组的具体菌株在特定过程中的解析，以及归因到具体微生物代谢产物的研究会变多，这也方便本领域的归因研究和未来向临床的转化潜力。

问：最后，请问您对未来的发展有什么计划？

我自己希望能够继续利用无菌鼠和悉生鼠（单菌，或几种菌定殖）叠加多种组学技术对肠道菌群在定殖过程及肠道微环境中互相影响，以及在免疫系统中的广泛作用继续进行相关研究。我个人非常希望能在 1~2 年之内回到国内建立实验室，也特别希望得到国内各位老师、前辈的指导和帮助，以及同行的合作、交流。

（采访完，请阅读本期日报的其它内容）

Science子刊：B细胞如何介导对共生菌的T细胞非依赖性IgA应答

Science Immunology[IF:13.44]

① 肠道TI IgA应答需要CD40非依赖性的B细胞活化信号，该信号来自于TACI受体，后者是BAFF与APRIL的受体；② BAFF/APRIL信号通过TACI受体驱动肠道粘膜中TI IgA+ 浆细胞的诱导产生，这一过程不依赖于生发中心；③ 对于肠道相关淋巴器官中的TD IgA应答，TACI受体并非必需；④ TACI受体可调控肠道生发中心的B细胞数量，但不影响IgA亲和力；⑤ TACI受体诱导的IgA应答可靶向结合部分肠道菌群，且不影响总体的菌群组成。

Gut T cell–independent IgA responses to commensal bacteria require engagement of the TACI receptor on B cells
07-31, doi: 10.1126/sciimmunol.aat7117

【主编评语】宿主可产生针对肠道共生菌群的T细胞依赖性（TD）及T细胞非依赖性（TI）的IgA应答，以促进宿主-菌群互作的稳态。TD IgA应答需要B细胞的CD40与Tfh细胞的CD40L互作，而TI IgA应答的调控机制尚未明确。Science Immunology上发表的一项最新研究，发现B细胞中的BAFF/APRIL信号可通过TACI受体，通过不依赖于生发中心的方式，促进肠道TI IgA应答，而后者并不会改变肠道菌群的总体组成。（@szx）

Science子刊：锥虫感染如何影响消化道和菌群？

Science Advances[IF:13.116]

① 系统地表征美洲锥虫病（CD）小鼠模型中感染诱导的代谢和微生物组改变的空间定位，以确定CD的胃肠组织趋向性机制；② 在急性和持续感染之间的过渡期所产生的影响与组织部位有关，感染的持续影响主要集中于食管和大肠；③ 克氏锥虫感染持续影响肠道微生物组，具有位置特异性，并影响酰基肉碱的代谢；④ 补充肉碱不影响寄生虫载量，但可通过减轻感染引起的代谢紊乱和减少心脏劳损，降低急性CD的死亡率，表明肉碱代谢与急性CD耐受具有因果关系。

Mapping of host-parasite-microbiome interactions reveals metabolic determinants of tropism and tolerance in Chagas disease
07-22, doi: 10.1126/sciadv.aaz2015

【主编评语】美洲锥虫病（CD）是一种由克氏锥虫原生动物引起的寄生虫病，主要病理表现为心肌病、巨食道和/或巨结肠。Science Advances近期发表的文章，发现感染从急性期过渡到持续感染期时，具有组织向性，主要影响食管和大肠。而持续感染将影响肠道菌群，影响酰基肉碱代谢，调控急性CD的耐受性。研究揭示出美洲锥虫病的疾病耐受机制，或有助于开发新的治疗方案。（@爱的抉择）

肠道蠕虫感染的防御机制（综述）

Trends in Parasitology[IF:6.918]

① 肠上皮通过多种方式保护肠道免受蠕虫侵袭，包括肠道屏障、识别蠕虫感染和损伤修复；② 肠上皮以紧密连接、粘液层和共生菌群构成第一道屏障，防止蠕虫感染；③ 蠕虫感染可刺激ATP及细胞因子 IL-25、IL-33和TSLP等“警报素”分泌，驱动簇状细胞的2型免疫反应；④ 肠上皮细胞周转、簇细胞和潘氏细胞数量增加以及杯状细胞增生并分泌免疫调节分子，有助于蠕虫的“渗出和清除”；⑤ 肠上皮通过IFN-γ介导的屏障修复缓解蠕虫入侵所造成的的组织损伤。

The Intestinal Epithelium at the Forefront of Host–Helminth Interactions
07-23, doi: 10.1016/j.pt.2020.07.002

【主编评语】胃肠蠕虫感染仍然是一个主要的公共卫生问题，尤其是在发展中国家。随着关于肠上皮细胞（IEC）特定细胞亚群如簇状细胞和肠内分泌细胞的不断认识，对胃肠道蠕虫感染的粘膜免疫反应的研究也得到了极大的开展。发表在Trends in Parasitology上的一篇综述文章总结了肠道细胞防止蠕虫感染的方式以及蠕虫如何通过这些亚群启动免疫反应的机制，这些发现有助于了解肠道的复杂生物学及其在抵御各种环境压力和致病因素中的作用。（@EADGBE）

Nature子刊：哪些关键肠菌在支撑抗生素后的菌群恢复？

Nature Ecology & Evolution[IF:12.541]

① 分析117人的500多个肠道菌群，鉴定出21种细菌与抗生素治疗后的肠道菌群恢复相关；② 菌群中特定碳水化合物降解和能量生成通路的富集，有助于菌群恢复；③ 通过分析782个人肠道菌群构建了肠道微生物“食物网”，发现与菌群恢复相关的关键物种能利用宿主黏蛋白和饮食等能量源，支撑其它肠道微生物的种群恢复；④ 小鼠中，多形拟杆菌和青春双歧杆菌等菌群恢复相关细菌可协同促进菌群恢复，大幅加速了抗生素后的菌群生物量和多样性的恢复。

Metagenome-wide association analysis identifies microbial determinants of post-antibiotic ecological recovery in the gut
07-06, doi: 10.1038/s41559-020-1236-0

【主编评语】肠道菌群是一个复杂的生态系统。在抗生素治疗后，肠道菌群会经历破坏后的重建和恢复。Nature Ecology & Evolution发表的这项研究，通过数据挖掘的方法，鉴定出在抗生素后肠道菌群恢复过程中的关键细菌和功能通路，提出了一个可解释这一现象的生态学模型，并在小鼠中进行了验证。这些发现为研发帮助抗生素治疗后菌群恢复的益生菌/元等干预手段提供了新思路。（@mildbreeze）

Nature子刊：耐药菌在宿主内的竞争和演化存在个体差异

Nature Ecology & Evolution[IF:12.541]

① 与不携带抗生素耐药（AR）突变的菌株发生宿主内竞争时，同样的AR突变菌株在不同小鼠中呈现不同的适应性；② 这种差异是由宿主的菌群决定的：在无菌小鼠中AR菌株不具有竞争优势，在菌群相似的小鼠中AR菌株呈现相似的定植适性；③ 用一种生态进化理论模型可以解释这些现象，该模型预测AR菌株在宿主内的补偿性突变的演化动态是因宿主而异的，这一预测在小鼠试验中得到验证。

Dysbiosis individualizes the fitness effect of antibiotic resistance in the mammalian gut
07-06, doi: 10.1038/s41559-020-1235-1

【主编评语】长期抗生素治疗会导致细菌耐药。在没有抗生素选择压力的情况下，耐药突变对于细菌本身可能成为一种负担，不利于耐药菌在菌群中的竞争。Nature Ecology & Evolution近期发表的一项研究通过小鼠试验、数学建模等方法，发现携带耐药基因突变的大肠杆菌在宿主肠道内定植的适应性和演化模式，呈现较大的个体差异，这种差异主要取决于宿主的肠道菌群。这些发现对于指导科学使用抗生素以减少耐药菌，有参考意义。（@mildbreeze）

生命早期单疗程抗生素治疗，或可增加之后的结肠炎风险

Genome Medicine[IF:10.675]

① 生命早期通过母乳行泰乐菌素脉冲抗生素治疗（PAT），可加剧小鼠之后的DSS诱导的结肠炎；② DSS处理导致结肠组织炎症基因表达增加，PAT组TNF-α表达更高，IL-22和Muc2表达更低；③ PAT组小鼠肠道菌群多样性、丰富度、均一性明显下降，Clostridium citroniae和肠杆菌科明显增多；④ 早期泰乐菌素暴露导致结肠炎加重的影响随时间减弱，但对菌群的影响会持续数周；⑤ 将PAT暴露后30天的小鼠盲肠菌群移植给无菌小鼠，仍可加剧DSS诱导的结肠炎。

A single early-in-life antibiotic course increases susceptibility to DSS-induced colitis
07-25, doi: 10.1186/s13073-020-00764-z

【主编评语】幼年期的肠道菌群可能对长期健康产生深远影响。Martin Blaser团队近期在Genome Medicine发表一项小鼠研究，发现在生命早期进行单个疗程的泰乐菌素（而非阿莫西林）抗生素处理，可通过对肠道菌群组成和粘膜免疫的影响，增加小鼠断奶后对DSS诱导的结肠炎的易感性。（@mildbreeze）

生命早期肠道菌群标志物可预测牛犊腹泻

ISME Journal[IF:9.18]

① 收集63头牛犊在出生8周内的粪便样本，分为健康组（H2H）、腹泻组（R2H）、抗菌剂治疗组（S2H），进行16S rRNA测序分析；② 随着时间推移，H2H组肠道菌群多样性和稳定性增加，S2H组多样性进展缓慢，R2H组多样性增加但后期稳定性较差；③ 与β内酰胺和阳离子抗菌肽耐药性相关基因在S2H组肠道菌群中更丰富；④ Trueperella、链球菌属、Dorea、瘤胃球菌属2和Erysipelatoclostridium菌属等作为关键微生物标记物，预测早期腹泻的准确度高达84.3%。

Linking perturbations to temporal changes in diversity, stability, and compositions of neonatal calf gut microbiota: prediction of diarrhea
05-22, doi: 10.1038/s41396-020-0678-3

【主编评语】早期肠道微生物群落的紊乱会对宿主健康产生长期影响。抗菌剂被广泛用于预防和治疗常见的传染性疾病。已有研究表明，抗菌剂对早期生命微生物群的干扰对小鼠和人类婴儿的宿主免疫功能有长期的负面影响，包括免疫缺陷或对病原体定植的易感性增加，但是对反刍动物的相关研究较少。发表在The ISME Journal上的一项研究对健康、腹泻和抗菌剂治疗牛犊进行了肠道菌群比较分析，表明可以根据特定的肠道菌群标志物来预测腹泻的发生，或可使用益生菌或益生元干预生命早期肠道菌群来提高宿主健康并减少抗菌剂的使用。（@EADGBE）

基因变异对肠道菌群和宿主的影响，可能在多代后才出现

NPJ Biofilms and Microbiomes[IF:7.067]

① PePT1基因敲除可改变小鼠的肠道菌群和功能，并可抑制DSS诱导的结肠炎；② 将PePT1敲除小鼠的粪菌移植给无菌小鼠，可使后者抵抗DSS诱导的结肠炎和结肠炎相关癌症；③ PePT1敲除小鼠与野生型小鼠杂交后产生的F1代中，纯合PePT1敲除小鼠相比于同窝的野生型小鼠，肠道菌群的差异和对结肠炎的抗性消失；④ 纯合F1代小鼠连续繁殖数代，F4代中PePT1敲除小鼠与野生型小鼠相比，重新表现出肠道菌群的差异及对DSS诱导结肠炎的抗性。

Impact of PepT1 deletion on microbiota composition and colitis requires multiple generations
07-21, doi: 10.1038/s41522-020-0137-y

【主编评语】NPJ Biofilms and Microbiomes上发表的一项最新研究，报道了一个值得研究者关注的现象：PePT1基因敲除小鼠的肠道菌群及功能发生变化，且产生了对DSS诱导结肠炎的抗性，但该效果在繁殖多代后才得以显现。该研究提示，宿主基因对肠道菌群组成及功能的跨代影响不可忽视。（@szx）

感谢本期日报的创作者：mildbreeze，szx，Unbroken，勒布朗，戴敏，王文东，波比

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