5月14日，中國科學(xué)院上海營養(yǎng)與健康研究所錢友存研究組，聯(lián)合中國科學(xué)院分子細(xì)胞科學(xué)卓越創(chuàng)新中心宋昕陽研究組，在Nature雜志在線發(fā)表了題為“Targeting symbionts by apolipoprotein L proteins modulates gut immunity”的研究成果。該研究首次揭示了小鼠腸道上皮細(xì)胞（Intestinal epithelial cells, IECs）分泌的載脂蛋白APOL9a/b及其人源同源蛋白APOL2可特異性識別擬桿菌目（Bacteroidales）細(xì)菌，誘導(dǎo)其釋放外膜囊泡（Outer membrane vesicles, OMVs），并激活宿主免疫因子IFN-γ-MHC-II信號通路，從而提升腸道黏膜屏障的抗感染能力。這項研究揭示了宿主免疫系統(tǒng)通過精細(xì)機(jī)制調(diào)控腸道微生態(tài)平衡，拓展了對宿主與共生菌共同進(jìn)化互作機(jī)制的理解，為菌群相關(guān)疾病的精準(zhǔn)干預(yù)與治療策略創(chuàng)新奠定了理論基礎(chǔ)。
哺乳動物腸道是宿主與共生微生物互作的核心界面。腸道微生物來源的代謝產(chǎn)物（如膽汁酸、短鏈/長鏈脂肪酸）及膜結(jié)構(gòu)分子（如多糖A、α-半乳糖神經(jīng)酰胺）等生物活性小分子可跨越腸道上皮屏障，進(jìn)而調(diào)控宿主免疫細(xì)胞分化與功能。例如，誘導(dǎo)結(jié)腸調(diào)節(jié)性T細(xì)胞（Regulatory T cells, Tregs）分化或促進(jìn)小腸上皮內(nèi)淋巴細(xì)胞（Intraepithelial lymphocytes, IELs）的聚集。與此同時，宿主則通過上皮黏液屏障、抗菌蛋白（Anti-microbial peptides, AMPs）、分泌型免疫球蛋白（Secretory immunoglobulin A, sIgA）及補(bǔ)體成分（如Complement 3，C3）等防御機(jī)制維持菌群穩(wěn)態(tài)。然而，現(xiàn)有研究主要聚焦于廣譜性、非特異性的防御策略，對于宿主是否具備選擇性識別并調(diào)控特定共生菌群成員的能力仍缺乏深入理解。
為了系統(tǒng)挖掘宿主調(diào)控腸道菌群的關(guān)鍵分子，研究人員首先借助高通量蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)，對常規(guī)飼養(yǎng)（Conventional raised, CR）小鼠和無菌（Germ-free, GF）小鼠回腸黏液層中的蛋白質(zhì)組成進(jìn)行了全面對比分析。通過篩選菌群依賴性表達(dá)上調(diào)的蛋白質(zhì)，并利用CR小鼠中回腸共生菌群結(jié)合蛋白的蛋白質(zhì)組進(jìn)行聯(lián)合分析，研究人員最終聚焦于一類此前功能未明的脂蛋白家族成員——Apolipoprotein L9a/b（APOL9a/b, 或APOL9），并確認(rèn)其表達(dá)受菌群調(diào)控。同時，單細(xì)胞測序及免疫熒光分析顯示APOL9a/b主要來源于腸上皮吸收細(xì)胞（Enterocyte）。為探明其靶向的共生菌是否具有微生物系統(tǒng)發(fā)育特異性，團(tuán)隊進(jìn)一步結(jié)合流式細(xì)胞分選技術(shù)與16S rRNA基因測序技術(shù)，創(chuàng)建了“APOL9-seq”策略，并對APOL9蛋白結(jié)合的腸道微生物進(jìn)行了全面分析。研究結(jié)果顯示，無論是在小鼠還是在人源微生物結(jié)合實驗體系中，APOL9a/b及其人類同源物APOL2都表現(xiàn)出極強(qiáng)的群體選擇性，幾乎專一性地識別并結(jié)合擬桿菌目（Bacteroidales）細(xì)菌。
那么，APOL9/APOL2是如何實現(xiàn)對擬桿菌目細(xì)菌“精準(zhǔn)鎖定”的呢？研究人員猜測擬桿菌目細(xì)菌特有的細(xì)胞膜鞘脂組分可能介導(dǎo)該識別過程。隨后，研究人員通過選取擬桿菌屬的代表共生菌——多形擬桿菌（B.thetaiotaomicron）作為模式菌株，并利用基因編輯技術(shù)成功敲除其多個鞘脂生物合成相關(guān)基因。實驗發(fā)現(xiàn)，APOL9/2蛋白對B. thetaiotaomicron的結(jié)合能力依賴于其細(xì)胞膜上的一類特殊脂質(zhì)——神經(jīng)酰胺-1-磷酸（Ceramide-1-phosphates, Cer1Ps）。一旦敲除Cer1P合成關(guān)鍵酶，APOL9/2與擬桿菌的結(jié)合能力明顯下降，表明Cer1P是介導(dǎo)其識別的關(guān)鍵分子。這一結(jié)果首次揭示，宿主可通過識別共生菌特有脂質(zhì)結(jié)構(gòu)，從而精準(zhǔn)“靶向”特定微生物群落。
有別于傳統(tǒng)抗菌肽直接殺菌的方式，APOL9在生理濃度下與擬桿菌結(jié)合后并不引發(fā)細(xì)胞死亡，而是以一種非致死性的方式誘導(dǎo)這些革蘭氏陰性菌釋放大量外膜囊泡OMVs。這些OMVs直徑在幾十至數(shù)百納米之間，富含細(xì)菌來源的脂類、蛋白和多糖等成分，因而可被宿主先天免疫系統(tǒng)識別并激活相應(yīng)通路。功能實驗進(jìn)一步表明，這些由APOL9誘導(dǎo)產(chǎn)生的OMVs不僅能被宿主樹突狀細(xì)胞（Dendritic cell,?DC）捕獲，還能有效增強(qiáng)黏膜區(qū)域的IEC-T細(xì)胞互作介導(dǎo)的免疫反應(yīng)。具體而言，它們通過激活干擾素-γ（IFN-γ）信號通路，顯著提升小腸上皮細(xì)胞中MHC II類分子的表達(dá)水平，從而促進(jìn)腸道上皮間一類具有重要免疫調(diào)節(jié)功能的CD4?CD8αα? ?IEL的發(fā)育和維持。在體內(nèi)功能驗證層面，研究團(tuán)隊構(gòu)建了Apol9a/b雙敲除小鼠模型，并發(fā)現(xiàn)其小腸上皮的MHC-II分子及CD4?CD8αα? IEL水平均發(fā)生下調(diào)，且這一調(diào)控現(xiàn)象依賴于小鼠腸道擬桿菌的存在。同時，在沙門氏菌（Salmonella typhimurium）經(jīng)口感染實驗中，研究人員也發(fā)現(xiàn)APOL9缺失小鼠不僅腸道局部病原負(fù)載顯著升高，而且細(xì)菌易擴(kuò)散至肝臟、脾臟等內(nèi)臟器官，表現(xiàn)出更高的系統(tǒng)性感染風(fēng)險和死亡率。相反，當(dāng)給予這些小鼠擬桿菌來源的OMVs時，宿主的各項腸道免疫防御指標(biāo)也顯著提升，因而其感染癥狀也得到明顯緩解。
這項研究不僅首次揭示了一類宿主新型載脂蛋白如何通過特異性識別共生菌膜脂分子并誘導(dǎo)其釋放具有免疫調(diào)節(jié)活性OMVs的因果機(jī)理，還為我們理解宿主如何“主動塑造”腸道微生態(tài)提供了新的理論框架，同時也為開發(fā)下一代基于菌群精準(zhǔn)調(diào)控的免疫干預(yù)手段奠定了分子基礎(chǔ)。
中國科學(xué)院上海營養(yǎng)與健康研究所副研究員楊濤、博士研究生胡孝虎，與中國科學(xué)院分子細(xì)胞科學(xué)卓越創(chuàng)新中心博士研究生曹飛為論文的共同第一作者。中國科學(xué)院上海營養(yǎng)與健康研究所錢友存研究員和中國科學(xué)院分子細(xì)胞科學(xué)卓越創(chuàng)新中心宋昕陽研究員為文章共同通訊作者。該工作得到哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院Dennis L. Kasper教授、清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院梁冠翔教授、中國科學(xué)院分子細(xì)胞科學(xué)卓越創(chuàng)新中心石建濤研究員、中國科學(xué)院上海營養(yǎng)與健康研究所胡國宏研究員的支持和幫助。該工作得到了科技部國家重點研發(fā)計劃項目、國家自然科學(xué)基金委、中國科學(xué)院B類先導(dǎo)專項、中國科學(xué)院“未來伙伴網(wǎng)絡(luò)專項”及上海市科委項目的資助。 該工作同時獲得中國科學(xué)院上海營養(yǎng)與健康研究所所級公共技術(shù)中心，中國科學(xué)院分子細(xì)胞科學(xué)卓越創(chuàng)新中心生信平臺、化學(xué)生物學(xué)平臺，中國科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心電鏡平臺，中國科學(xué)院上海免疫與感染研究所動物平臺，上海交通大學(xué)流式平臺，中科脂典公司及諾米代謝公司等多家單位、企業(yè)的技術(shù)支持。
論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41586-025-08990-4
圖：新型載脂蛋白APOL9通過結(jié)合擬桿菌Cer1P分子誘導(dǎo)OMVs釋放并激活I(lǐng)FN-γ-MHC-II通路以增強(qiáng)腸道黏膜免疫
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