肠道菌群调控宿主天然免疫的机制研究

杨晓炼，李 涵，朱 书

（浙江大学动物科学学院动物预防研究所 浙江大学动物医学中心，杭州 310058）

肠道是动物机体自外界获得能量和基础代谢生物基质的主要场所，共生着数量庞大的微生物群落，其中绝大多数是细菌，还包括病毒、真菌以及古细菌[1]。在与宿主漫长的共进化过程中，不同种类肠道细菌之间、菌群与宿主之间始终处于动态平衡状态，形成了一个相互依存、相互制约的共生系统[2]。肠道内益生菌群如双歧杆菌、乳酸杆菌等能合成多种机体生长发育必需的维生素，并参与糖类、脂类以及氨基酸等重要物质的代谢过程，它们的菌群结构与动物健康息息相关[3]。

肠道菌群与宿主细胞共同维持着肠道稳态，并通过产生具有生物活性的代谢物对宿主生理机能及免疫应答发挥直接或间接的调控作用[4]。肠道细菌本身具有各种病原相关分子模式（pathogen associated molecular patterns，PAMPs），理论上会通过细胞表面模式识别受体（pattern recognition receptors，PRRs）激活天然免疫反应引发炎症，但此现象并未发生，原因之一是肠道菌群能够抑制宿主细胞的天然免疫，消除机体的排斥反应，以达到二者之间的免疫稳态（immune homeostasis）[5]。另一方面，肠道细菌可通过其分泌因子和代谢产物作用于宿主细胞，使其处于一种免疫激活基态，以应对病原微生物入侵的潜在威胁[6]。就宿主免疫系统而言，无论是使绝大多数细胞保持免疫稳态，还是使某些“哨兵细胞”（sentinel cell）处于免疫激活基态，都需要机体对肠道细菌保持长期感知；因此，肠道菌群组成的细微差异（或不利于机体的变化，称为“失调”）从长远来看都可能对宿主产生全身性免疫应答，造成不良影响，甚至导致炎性疾病[7]。此外，越来越多研究显示，肠道菌群与宿主免疫系统的“对话”发生在婴儿期甚至更早，某些重要肠道细菌的定植对于机体免疫系统行使正常免疫应答功能至关重要；而在婴儿阶段错失肠道细菌定植的“窗口期”会对宿主免疫系统发育产生无可挽回的不良影响，从而导致炎性疾病的发生[8]。

由于绝大多数肠道细菌与宿主之间是“共生关系”（symbiotic relationship），即行使维系免疫稳态的益生功能，这意味着研究者们难以在稳态下对某种肠道细菌的天然免疫调控功能进行研究；因此，人们只有打破宿主的免疫稳态，利用炎性疾病模型或者病原感染模型解析肠道细菌在免疫调控中的重要作用。在本综述中，笔者将围绕近年来该领域内在肠道细菌免疫稳态调控机制方面所取得的研究进展，聚焦肠道细菌调节宿主细胞免疫激活基态的分子机理，特别是在感染过程中调控天然免疫应答“阈值”（threshold）的分子机制展开讨论。

1 肠道菌群对天然免疫细胞的调控作用

1.1 肠道细菌对上皮细胞免疫应答的调控与机体其他器官相比，肠道是一个相对开放的系统，而上皮细胞是宿主内环境与肠道细菌之间的生理屏障。宿主维持自身与肠道菌群之间稳态的核心策略，就是尽量减少上皮细胞与肠道细菌之间的直接接触。上皮细胞与肠道细菌之间的黏液层由上皮细胞中的杯状细胞产生，分为外层的疏松层和内层的致密层，是用以隔绝细菌的物理屏障[9]。肠道相关淋巴组织（mucosal associated lymphoid tissues，MALTs）中的B细胞能够产生大量分泌型IgA（secretory IgA，sIgA），并由上皮细胞分泌至肠腔中，与细菌表面相关位点结合，防止细菌易位（translocation）。此外，上皮细胞还能够产生抗菌肽（antimicrobial peptides，AMPs），具有分解细菌细胞壁或细胞内膜中重要化学结构的酶活性[10]。目前，功能研究最为透彻的抗菌肽是一种肠上皮细胞产生的凝集素分子RegⅢγ，其分泌依赖于MyD88介导的信号通路，并受到肠道菌群的严格调控，对革兰氏阳性菌有直接抑菌作用[11-12]。抗菌肽在黏液层中累积，防止肠道细菌与上皮细胞的过度接触，因此黏液致密层又被称为“非军事区”[13]。由此可见，肠上皮细胞以“立体防御体系”保持肠道屏障的完整性，维系自身免疫稳态；而这种防御反应是由上皮细胞表面Toll样受体（toll-like receptor，TLR）、Nod样受体（Nod-like receptor，NLR）以及短链脂肪酸受体（后文将详述）等细菌及其产物的“感应装置”不断对肠道微生物进行感知来完成的[14-16]。此外，肠上皮细胞免疫应答也受到其他免疫细胞与肠道细菌相互作用后产生的细胞因子所调控[17]。

1.2 肠道细菌对髓系免疫细胞的调控作用尽管肠道细菌与宿主免疫系统并不直接接触（或极少直接接触），但细菌定植后产生的大量代谢活性物质能够进入循环系统，对宿主的免疫应答产生调控作用。虽然我们并不清楚菌群代谢物是以主动运输亦或是被动扩散的方式进入循环系统，但有一点是肯定的，那就是这些血流中的细菌产物对骨髓中造血干细胞分化发育所需的内稳态至关重要[18]。Balmer等[19-20]研究证实，肠道菌群能够影响干细胞源髓细胞的发育，且肠道菌群复杂度与髓细胞池大小紧密相关；早期髓细胞池变小意味着感染发生时机体能够调用的免疫细胞数量减少，导致宿主清除全身性细菌感染的速度变慢。此外，髓细胞池变小必然导致单核细胞分化后各组织驻留的骨髓源DC细胞数量减少，因此无菌小鼠或抗生素处理小鼠对单核增生性李斯特菌的急性感染更为易感；然而，这些菌群缺失小鼠对细菌二次感染产生的获得性免疫应答却不受影响甚至变得更强，说明肠道细菌对宿主抗单增李斯特菌的天然免疫而非获得性免疫具有调控作用[21]。

骨髓间充质干细胞（mesenchymal stem cells，MSCs）及其后代细胞在TLR配体的刺激下能够快速产生单核细胞驱化蛋白1，进而驱动单核细胞进入血流[22]。此外，MSC也能感知NLR配体，并表达IL-7、Flt3L、ThPO及IL-6等造血因子；因此，以NOD1配体对无菌小鼠进行体内注射将使其造血干细胞及前体细胞恢复到SPF小鼠的水平[23]。对怀孕母鼠进行抗生素处理将降低其体内IL-17及集落刺激因子的水平，这将导致新生仔鼠中性粒细胞、粒细胞-巨噬细胞限制性祖细胞的数量减少；这一研究表明肠道菌群对造血干细胞的调控作用发生在生命早期[24]。

在某些情况下由菌群缺失导致的髓系细胞生成受损并非全无益处。例如，肠道菌群产物就能够通过细胞TLR/MyD88信号通路调控血液中性粒细胞的衰老；在内毒素致败血症及镰状细胞贫血的小鼠模型中，肠道菌群缺失能够减少循环系统中过度活化的衰老中性粒细胞数量，并缓解炎症导致的组织损伤[25]。

总的来说，目前研究显示肠道菌群对血细胞发育的影响，主要表现在骨髓中粒细胞-巨噬细胞这一层面，因此对单核性及粒性后代细胞功能影响较大，而对淋巴细胞的影响较小。肠道细菌对髓系免疫细胞发育的调控机制，一是肠道细菌分泌物或代谢产物能够进入循环系统到达骨髓或髓外区域，被造血干细胞及祖细胞直接识别[26]；二是处于循环系统中的造血干细胞直接与细菌及其产物相遇后再次回到骨髓，产生调控效应[27-28]。

1.3 肠道菌群与非典型性天然免疫细胞的互作天然免疫细胞种类繁多，包括天然淋巴细胞（innate lymphoid cells，ILCs）、γδT细胞、恒定天然杀伤性T（invariant natural killer T，iNKT）细胞、黏膜相关恒定T细胞（mucosal-associated invariant T cells，MAIT cells）等，它们常驻于外周组织中，与宿主肠道细菌之间多有互作。宿主婴儿期是肠道菌群定植的活跃期，这些非典型天然免疫细胞在这一时期开始富集于机体各屏障系统处，响应机体与固有菌群的相互作用来维系宿主的黏膜免疫稳态[29]。

在诸多富集于黏膜屏障的天然免疫细胞中，3型天然淋巴细胞（type 3 innate lymphoid cell，ILC3）近年来受到的关注最多[30]。因为与其他天然免疫细胞相比，ILC3主要产生在维系组织免疫及生理稳态中处于核心地位的细胞因子IL-22；这一细胞因子的功能繁多，具有促进抗菌肽产生、增强上皮细胞再生、增加黏膜分泌以及调控损伤修复等作用[31]。虽然肠道固有菌群影响ILC3更新的机制未明，但近年来的研究显示某些肠道细菌能够特异性调控ILC3的免疫功能。例如，分段丝状菌（segmented filamentous bacteria，SFB）能够通过IL-23促进ILC3分泌IL-22[32]。此外，高表达MHC-Ⅱ分子的ILC3能够与菌群抗原特异性CD4+T细胞相互作用并将其清除，避免肠道黏膜对固有细菌产生过度免疫应答[33]。

γδT细胞通常在机体与肠道细菌产物及代谢活性物接触较多的部位富集，如肠道与肝脏；这一类非经典天然免疫细胞通常识别脂类抗原，因此特别容易受到肠道细菌相关产物的激活[20]。除了由TCR介导的免疫应答，γδT细胞能够直接被IL-1及IL-23直接激活，因此肠道细菌能够通过刺激机体产生这两种细胞因子介导黏膜屏障内γδT细胞的增殖[34]。与γδT细胞的TCR由γ、δ两条链组成不同，恒定NKT细胞的TCR有一条半恒定α链，用以识别MHC-Ⅰ样分子CD1d递呈的脂质抗原[35]。在无菌小鼠出生早期对其定植SPF小鼠的肠道菌群，或脆弱拟杆菌（B.fragilis）将阻碍iNKT细胞在肺部或结肠固有层中的聚集[36]。对肠道细菌来源鞘磷脂（sphingolipids）的直接识别将降低机体罹患iNKT细胞介导的炎性疾病的几率，且B. fragilis的早期定殖将保护机体抵御恶唑酮诱导的实验性结肠炎[37]。此外，肠道菌群来源的代谢产物能够通过肠-肝循环影响肠外组织（肝脏）中iNKT细胞的数量。例如，菌群来源的次级胆汁酸ω-鼠胆酸能够通过下调肝窦内皮细胞中趋化因子CXCL16的表达减少肝脏NKT细胞的聚集，从而加剧肝癌形成；而对无菌小鼠进行闪烁梭菌（Clostridium scindens）定殖能够对初级胆汁酸进行去共轭化，特异性抑制NKT细胞聚集，从而促进肝癌的发生发展[38]。

近年来，人们开始通过计算机对肠道菌群代谢产物小分子进行筛选，来解析菌群-iNKT细胞互作的新机制。研究结果显示，与恶唑酮结构相似的细菌产物（包括恶唑及噻唑等杂环类基元）能够增强肠上皮细胞吲哚胺-2,3-二氧化酶（indolearnine 2.3-dioxygenase，IDO）的活性，催化色氨酸代谢生成芳香烃受体（aryl hydrocarbon receptor，AhR）配体如犬尿氨酸和3-羟基-犬尿酸盐[39]。随后，配体与AhR结合后调控肠上皮细胞通过CD1d对基底外侧部的iNKT细胞进行脂质抗原的抗原递呈，诱导IL-13和IFNγ等促炎因子的释放。这一例证说明肠道细菌（如大肠杆菌）产生的一类结构保守的噻唑/恶唑修饰小菌素（thiazole/oxazole modified microcins，TOMMs）对免疫系统具有直接调控功能，今后可能作为微生态制剂对宿主肠稳态进行调节[40]。

另一类受肠道细菌代谢产物调控的固有免疫样（innate-like）T细胞亚群是MAIT细胞，它们能够通过细胞表面MHC相关蛋白MR1来识别抗原，在宿主抗结核分枝杆菌（Mycobacterium tuberculosis）及肺炎克雷伯菌（K. pneumoniae）感染中起到重要的保护作用[41-42]。在无菌小鼠体内检测不到MAIT细胞存在，对其进行多形拟杆菌（B. thetaiotaomicron）、动物双岐杆菌（Bifidobacterium animalis）、干酪乳杆菌（Lactobacillus casei）以及阴沟杆菌（Enterobacter cloacae）单菌定殖能够恢复MAIT细胞水平，而定植粪肠球菌（Enterococcus faecalis）则无此功能，说明MAIT细胞增殖必需识别特定肠道细菌产生的配体[43-44]。近期研究显示，这些配体是维生素B2生物合成途径中间产物的衍生物[45-46]。维生素B2前体5-胺基-6D-核糖醇基胺基尿嘧啶（5-ARU）会与乙二醛及丙酮醛等代谢副产物相互作用形成不稳定的嘧啶中间产物，MR1分子能够俘获及稳定这些嘧啶中间体并激活MAIT细胞[46]。尽管外源添加合成抗原并激活TLR信号通路已足够诱导MAIT细胞在鼠伤寒沙门菌（S. Typhimurium）感染时向肺部聚集，但能否通过添加维生素B2来激活MAIT细胞达到清除病原的目的，仍属未知之数[47]。

1.4 肠道菌群对树突状细胞的调控由于宿主树突状细胞（dendritic cell，DC）必须对肠道菌群以及食源性抗原产生持续性的免疫耐受，并在病原微生物入侵时激活免疫应答；因此，它们在塑造宿主黏膜免疫中起着极为重要的作用[48]。肠道固有层CD103+DC能够表达αvβ8整合素，将转化生长因子（transforming growth factor-β，TGF-β）转化为活化态，或者表达乙醛脱氢酶将维生素A代谢为维甲酸（retinoic acid，RA）[49-50]。维生素A及RA会上调CD103+DC中Aldh1a2基因的表达，并形成一个信号放大的环路；高水平的RA将增强调节性T细胞（regulatory T cell，Treg）中整合素α4β7和CC-趋化因子受体9（CCR9）的表达，使其具有肠组织趋向性[51]。由于外周调节性T细胞（peripherally induced regulatory T cell，pTreg）Foxp3基因内含增强子CNS1上有一个RA受体的结合位点，因此，RA也能够通过CNS1来诱导FOXP3+的pTreg[52]。此外，RA能促进循环系统中的常规DC前体细胞分化为CD103+DC[53]；研究显示肠道固有细菌如婴儿双歧杆菌（Bifidobacterium infantis）能提高肠道CD103+DC的比率并增强其产生RA的能力[54]。

作为连接天然免疫与获得性免疫之间的桥梁，DC也是肠道菌群与宿主免疫系统间对话的“信使”。几种肠道固有细菌，如普雷沃菌属（Prevoltella）中的P. copri菌株能够产生琥珀酸，并通过DC细胞表面G蛋白偶联受体（G protein-coupled receptor，GPCR）91增强其诱导抗原特异性T细胞的免疫应答[55-56]。与之类似，细菌代谢产生的乙酸通过DC表面GPR43间接促进B细胞分泌IgA，而丙酸能通过Treg表面GPR43直接加速其细胞增殖[57]。此外，DC中IDO介导的色氨酸代谢将生成犬尿氨酸，以促进Treg细胞的诱导作用，并调控效应性T细胞的活性[58-59]。从这些研究中，我们能够看出对菌群调控免疫应答的分子机制进行解析非常重要。如果能从菌群角度针对不同阶段免疫应答环节中的不同靶点设计新的治疗方案，将大大提高微生态制剂在临床治疗中的使用效果。

1.5 肠道菌群对巨噬细胞的调控巨噬细胞是肠道固有层中丰度最高的免疫细胞，在维系肠道免疫稳态中具有举足轻重的地位。与DC一样，巨噬细胞通常在肠道共生细菌调控淋巴细胞免疫应答中起“桥梁作用”。例如，研究证实CX3CR1+巨噬细胞对TH1抑制和对Treg的促进作用依赖于肠道菌群，此调控作用主要通过产生IL-10及抗原递呈来实现[60]。CX3CR1+巨噬细胞能够促进肠道对共生菌群及食物抗原的免疫耐受，而抗生素造成的菌群紊乱将减弱这种耐受效应。此外，肠道菌群还能够通过CX3CR1+巨噬细胞限制肠腔中的抗原进入肠系膜淋巴结，以维持肠道免疫耐受的微环境[61]。

肠道产酸细菌如丁酸梭菌的主要代谢产物丁酸能够通过抑制组蛋白去乙酰化酶（histone deacetylases，HDACs）来调控肠道巨噬细胞的活性，研究证实以丁酸处理髓源巨噬细胞（bone marrow-derived macrophages，BMDMs）能够增强Nos2、Il6以及Il12等基因启动子区域的乙酰化程度，并降低这些基因mRNA转录水平；而经过丁酸处理的结肠巨噬细胞会减少肿瘤坏死因子（tumor necrosis factor，TNF）的分泌[62-63]。另外，丁酸能够通过代谢重编程将巨噬细胞的代谢方式从糖酵解向氧化磷酸化及脂代谢方向转化，以另一途径活化巨噬细胞。在此替代途径中，Arg1基因表达上调并促进巨噬细胞向M2方向极化，最终抵御实验性结肠炎的发生[64]。对小鼠进行抗生素处理会导致肠道菌群失调，降低肠腔中短链脂肪酸特别是丁酸的浓度，导致巨噬细胞活化后促进TH1介导的炎性反应，使宿主对细菌（比如鼠柠檬酸杆菌，C. rodentium）或寄生虫（鼠鞭虫）更加易感[63]。这些研究结果表明菌群产生的丁酸在抑制巨噬细胞介导的炎症以及T细胞免疫调控中起着非常重要的作用。

总的来说，大量数据显示多种细菌产物及小分子活性代谢物都具有调节宿主天然免疫应答的功能。这些细菌代谢产物包括脂类、碳水化合物、氨基酸衍生物和维生素，它们通过多种调控机制诱导或抑制各种免疫细胞亚群的功能，正如本文中描述的那样：有的需要信号传递，有的利用正反馈环路，还有的依赖于上皮细胞黏附。正是由于共生菌群产生的小分子代谢物免疫调控机制的异质性，才使得下游治疗方法的设计和应用变得更加多样化。

2 肠道菌群主要代谢产物的免疫调控

尽管人体细胞和共生细菌的代谢活动是同时进行的，但机体需要肠道菌群提供重要的生物酶来完成营养物质的消化与代谢。肠道细菌能够对未消化的食物组分进行厌氧发酵，产生数量庞大的代谢小分子化合物；同时也能分解利用微生物和宿主产生的内源性化合物。如前文所述，肠道菌群对天然免疫的调控作用主要通过其代谢产物来完成，本文将对四种主要菌群代谢相关生物活性分子的免疫调控机制进行综述。

2.1 短链脂肪酸动物结肠中含有大量未消化的复杂碳水化合物，这些都能够作为肠道细菌进行厌氧发酵的底物，产生的主要代谢终产物就是短链脂肪酸（short-chain fatty acids，SCFA），其中包括乙酸、丙酸和丁酸。动物肠道中SCFA浓度（一般为20～140 mmol/L）主要取决于菌群组成、经肠时间、宿主-菌群代谢流以及食物纤维含量[65]。SCFA不但是肠道细菌能够直接利用的重要能源，也是肠上皮细胞所需的能源之一。当然，除了作为能量合成的底物，SCFA在宿主生理活动及免疫应答方面的调控功能也开始逐渐为人所知。

乙酸是结肠中浓度最高的SCFA，占所有粪便SCFA的一半以上[66]；另外，大约三分之一的乙酸由肠道产酸细菌（如Blautia hydrogenotrophica）产生，其代谢途径主要有两种：一是通过H2O和CO2合成，另一种是通过厌氧乙酰辅酶A途径利用甲酸合成乙酸[65]。

肠道细菌生成丙酸的途径主要有三条：琥珀酸途径、丙烯酸途径及丙二醇途径[67]。大部分丙酸是由拟杆菌以琥珀酸为底物合成的，而韦荣氏菌科和毛螺旋菌科的几种细菌（如灵巧粪球菌，Coprococcus catus和Clostridium lactatifermentans）则是以乳酸为底物，通过丙烯酸途径生成丙酸[67]。在异丙醇途径中，肠道细菌可将五碳糖（鼠李糖和岩藻糖）转化为丙酸，参与此途径的细菌有鼠伤寒沙门菌及毛螺旋菌[68]。

肠道细菌合成丁酸主要通过两种途径，一是乙酰辅酶A转移酶途径，二是丁酸激酶途径；后者利用磷酸丁酰转移酶和丁酸激酶将丁酰辅酶A转化为丁酸[69]。然而，通过丁酰激酶途径合成丁酸的肠道细菌并不多，仅限于粪球菌属的几个成员（如规则粪球菌，Coprococcus eutactus；伴生粪球菌，Coprococcus comes）；绝大多数肠道产丁酸菌（如矩形真杆菌，Eubacterium rectangle）均通过丁酰辅酶A：乙酰辅酶A转移酶途径进行丁酸合成[68]。

前文已经提到，SCFA特别是丁酸主要作为HDAC抑制剂以及GPCR配体，通过信号转导来行使免疫调控功能[6]；其主要作用是通过抑制HDAC促进抗炎免疫细胞亚群的激活，从而产生免疫耐受维系机体的免疫稳态[70]。SCFA这一免疫调节活性充分支持了肠道细菌作为宿主生理性表观遗传修饰调控因子的概念。

2.2 色氨酸代谢物色氨酸（tryptophan，Trp）又称β-吲哚基丙氨酸，是人体必须氨基酸之一，属于芳香族氨基酸，由β碳原子与吲哚基团在第3位上连接而来。在20种常见氨基酸中，Trp分子量最大。尽管在蛋白质与细胞中Trp是含量最少的氨基酸，但它是多种细菌及宿主代谢物生物合成的前体物质[71]。

肠道细菌将食源性Trp代谢后主要产生吲哚及吲哚-3-乙醛（indole-3-aldehyde，IAld）、吲哚-3-乙酸（indole-3-acid-acetic，IAA）、吲哚-3-丙酸（indole-e-propionic aicd，IPA）等吲哚衍生物，这一类代谢产物的主要作用是作为AhR配体调控宿主的免疫应答。如前文所述，AhR是配体依赖性转录激活因子，在肠道黏膜免疫中处于核心地位[72]。AhR缺陷将导致肠道菌群失调（拟杆菌异常增多）、AMP分泌减少、上皮间淋巴细胞（intraepithelial lymphocytes，IELs）数量降低以及肠上皮细胞更新变缓[73]。葡聚糖硫酸钠（dextran sulphate sodium，DSS）在AhR-/-小鼠上诱导产生的肠炎更严重，这是因为该基因缺陷小鼠缺乏IL-22。IL-22是维系肠免疫稳态的核心细胞因子，具有诱导AMP分泌、促进黏液分泌和杯状细胞增殖等一系列功能[74]。ILC3是产生IL-22的主要细胞亚群，它的激活需要AhR与配体的相互作用[75]。由于机体能够从食物中获取Trp并由细胞中的吲哚胺2,3-双加氧酶（indoleamine 2,3-dioxygenase，IDO）代谢产生L-犬尿氨酸（L-kynurenine，Kyn），即内源性AhR配体；而肠道细菌能够通过自身IDO将食源性Trp代谢成为吲哚衍生物，这些代谢产物可以作为外源性AhR参与ILC的调控，补偿由内源性AhR配体不足导致的免疫失调[74]。研究显示，胱天蛋白酶募集域蛋白9（caspase recruitment domain-containing protein 9，CARD9）基因与人肠应激综合征（irritable bowel disease，IBD）相关，而该基因缺失小鼠的肠道菌群与IBD病人相似，吲哚衍生物产生细菌的丰度较低[76]。这表明吲哚类似物是重要的菌群依赖性AhR配体，它们的产生受到宿主基因和肠道菌群的双重调控，共同维系宿主的肠免疫稳态。

细菌代谢Trp产生的吲哚衍生物IAld是重要的AhR激动剂，能够诱导宿主产生IL-22拮抗白色念珠菌（Candida albicans）的真菌感染[74]。同样，AhR降解或缺失将增加小鼠对C. rodentium的易感性，而恢复肠道中AhR的活性将提高小鼠对上述两种病原的抗性，体现了Trp代谢在宿主抗感染免疫应答中的重要作用[77]。除了产生AhR配体，肠道Trp代谢还能够促进宿主抗微生物感染的获得性免疫应答，比如在宿主抗衣原体及利士曼原虫感染的获得性免疫中，CD4+细胞利用了这些病原的Trp营养缺陷，过度活化细胞IDO将Trp代谢为KP，导致细菌氨基酸饥饿[78]。

总体来说，肠道细菌色氨酸代谢调控宿主免疫系统的核心在于产生AhR激动剂来平衡ILC3细胞亚群及IL-22的产生，以此来维系肠免疫稳态，并防止有害微生物定植。

2.3 多胺多胺是目前研究较多的肠道菌群代谢产物之一，包括腐胺、亚精胺和精胺，是一类具有广泛生物学功能的多聚阳离子化合物；它们在基因的转录、翻译以及细胞生长和死亡过程中扮演着重要角色[79]。哺乳类动物细胞内的多胺既可以依靠自身的从头合成（de novo production），也可以从肠道细菌介导的精氨酸代谢中直接获取[80]。与哺乳动物细胞以精氨酸酶1以及鸟氨酸脱羧酶等限速酶反应生成多胺不同，肠道细菌的精氨酸代谢依赖于氨基酸脱羧酶来产生多胺[80]，而这一催化作用需在双歧杆菌属等产酸细菌形成的酸性环境（pH5.0～5.9）下才能触发，由此可见，动物体的多胺循环受到肠道菌群及宿主细胞的共同调控[81-82]。

肠道细菌通过精氨酸代谢在肠腔中积累了高浓度的多胺，以维持肠上皮细胞的快速更替并维持肠上皮屏障的完整性。体外试验证实，多胺能够刺激上皮细胞表达闭锁蛋白（occludin）、封闭小带1（xonula occludens 1）和上皮钙黏蛋白（E-cadherin）等胞间连接蛋白，以调控肠上皮通透性并夯实上皮细胞的屏障功能[83]。然而，Levy等[84]报道称，内源性精胺能够抑制NOD样受体6（NOD-like receptor 6，NLRP6）炎性小体的活化，降低上皮细胞IL-18的表达；而IL-18旁分泌减少导致的AMP表达下调是肠道菌群紊乱的推手之一。在该研究中，宿主分泌的胆汁酸经肠道细菌修饰后产生的衍生物牛磺酸（taurine）能够拮抗精胺及组胺的炎性小体抑制效果，表明菌群代谢物对肠上皮细胞免疫反应的精细调控是不同共生细菌间博弈的结果。

除了上皮细胞，多胺对宿主天然免疫细胞也有直接作用[85]。精氨酸酶1和一氧化氮合成酶相互竞争精氨酸来产生多胺或者NO，而后者是巨噬细胞向促炎态M1型极化并激活促炎因子表达和细胞杀伤活性的重要的分子。Zhang等[86]研究表明，精胺能够通过抑制鸟氨酸脱羧酶及促炎因子的合成阻遏M1型巨噬细胞的活化，而在此过程中TGF-β和IL-10的表达不受影响。诚然，以小鼠为模型的多项研究证实，精胺处理对局部及全身性炎症均有保护作用。对小鼠进行色氨酸和动物双歧杆菌联合给药能够提高循环系统及结肠中多胺水平，降低结肠TNF和IL-6的表达[87]。这些关联性研究提出了这样的科学假设，即通过调整饮食和添加益生菌的方式改变结肠多胺代谢有益于身体健康。

精胺的另一重要生物学功能是作为表观遗传调节因子（epigenetic regulator）参与基因的转录与表达调控[88]。Tamari等[89]研究显示，癌干细胞中的多胺代谢能够抑制组蛋白亮氨酸去甲基化酶LSD1（lysine-specific demethylase-1）在H3K4上的去甲基化修饰，开放基因的表达。作为第一个被发现的胺氧化酶类似物，LSD1能够与另一种组蛋白甲基转移酶zeste增强子同源物2（enhancer of zeste homolog 2，EZH2）互作，协同调控干扰素信号分子IRF9基因的H3K4去甲基化修饰，影响ISG基因的表达[90]。

2.4 胆汁酸与前文所述的三种代谢产物不同，胆汁酸（bile acids，BA）并非由肠道细菌产生，而是由宿主细胞产生后分泌到肠腔并在肠道细菌相关酶的作用下进行修饰和代谢。在动物肝细胞中，首先以胆固醇为原料合成初级胆汁酸，如胆酸（cholic acid，CA）和鹅去氧胆酸（chenodeoxycholic acid，CDCA），再在酶促反应下进行甘氨酸（人）或牛磺酸（鼠）共轭；共轭后的初级胆汁酸由胆囊分泌进入小肠，其中95%在空肠末端通过主动运输的方式被机体重吸收再次进入肝脏，这一过程称为胆汁酸的肝肠循环。剩下5%的胆汁酸中的一半以被动吸收的方式在结肠中被机体吸收，而剩下的二分之一通过粪便排出体外[91]。初级胆汁酸将在肠道细菌的催化下转化为次级胆汁酸，这一过程部分在小肠中进行，但主要在结肠中完成。初级胆汁酸到次级胆汁酸的生物转化过程涉及到多步酶促反应，起始于甘氨酸或牛磺酸共轭胆汁酸的去共轭化，结束于胆汁酸的脱羟基化[92]。如前文所述，去共轭化后的游离牛磺酸能够促进肠上皮细胞中NLRP6炎性小体的激活，并产生IL-18保持黏膜屏障功能和肠免疫稳态[84]。相比之下，初级胆汁酸更容易被小肠吸收，而次级胆汁酸由于疏水性更强则更易被结肠吸收[91]。与菌群正常小鼠相比，无菌小鼠粪便、肝脏、心脏、肾脏及血清中胆汁酸组成差异极显著，表明肠道菌群在调控胆汁酸吸收程度以及再利用率中起着举足轻重的作用[93]。

研究表明，胆汁酸能够抑制单核细胞、巨噬细胞、DC以及肝脏巨噬细胞（称为枯否氏细胞）促炎因子的表达[94]。这一抑制过程需要两类不同细胞受体参与，一是细胞表面的G蛋白偶联型胆酸受体1（GPBAR1，亦称为TGR5）；二是核内的核受体亚家族1H成员4（NR1H4，也称为法尼醇X受体，FXR），多种初级胆汁酸和次级胆汁酸都能够激活两种受体[95]。胆汁酸与TGR5结合以后，能够提高胞内环磷酸腺苷（cAMP）水平并激活胞外调节蛋白激酶（extracellular regulated protein kinases，ERK）[96]。TGR5受体激动剂处理巨噬细胞和枯否氏细胞后能够干扰NF-κB依赖性转录，从而抑制LPS诱导的炎性因子表达。此外，BA结合TGR5能够激活蛋白激酶A（protein kinase A，PKA）和cAMP应答原件结合蛋白（cAMP-responsive element-binding protein，CREB），从而降低信号转导及转录活化蛋白1（signal transducer and activator of transcription 1，STAT1）的磷酸化，抑制下游干扰素刺激基因（interferon stimulate genes，ISGs）的转录和表达，最终介导炎症抑制反应[96-97]。Gpbar1-/-小鼠与Nr1h4-/-小鼠一样，在肠炎、肝炎和胃炎等多种炎性疾病模型上都比野生型小鼠表型更强[97-98]。

3 肠道菌群调控宿主抗病毒感染免疫的分子机制

在本文的前两部分中，笔者对肠道菌群代谢产物对宿主免疫系统，特别是天然免疫因子的调控机制作了系统性叙述，也集中探讨了肠道细菌及其相关代谢产物在维系肠免疫稳态中的重要作用。肠道是共生菌群的自然栖息之地，也是病原微生物特别是肠道病毒侵入机体的门户，这意味着宿主对病毒感染产生的免疫应答是在内源性共生菌群调控的微环境中发生的。感染发生时，肠道菌群与宿主细胞共同维系的天然免疫稳态被打破，此时菌群代谢产物的免疫调控功能是否发生改变，它们在宿主细胞启动抗病毒天然免疫应答过程中发挥促进还是抑制作用，笔者将在这一部分中对此展开论述。

3.1 肠道菌群对宿主抗肠道病毒感染的免疫调控肠道共生细菌能够影响宿主对各种病毒的免疫应答。近期研究显示，宿主针对肠道细菌的天然抗体能够与人免疫缺陷病毒1（Human immunodeficiency virus 1，HIV-1）抗原产生交叉反应，因此导致HIV疫苗免疫的效果受到影响[99]。此外，肠道细菌的组分能够通过激活TLR5调控流感病毒在小鼠上的疫苗免疫[100]。对小鼠进行抗生素处理会降低其拮抗流感感染的天然免疫和获得性免疫应答，导致小鼠死亡，说明抗生素介导的菌群清除对小鼠肺部黏膜免疫应答造成较大影响[101]。这些研究都佐证了肠道菌群对抗病毒免疫应答的重要调控功能。

除了肠道细菌，某些寄生虫（如肠蠕虫）对抗病毒免疫反应也有较大影响。无菌小鼠感染蠕虫后会抑制肠道CD8+T细胞对鼠诺如病毒（Murine norovirus，MNV）的免疫应答，说明寄生虫感染能够通过抑制获得性细胞免疫促进肠道病毒感染[102]。另外，蠕虫感染还能减弱小鼠对疱疹病毒全身性感染的拮抗作用[103]。在此共感染模型中，蠕虫感染诱导宿主分泌IL-4或IL-13，从而启动特异性病毒启动子的转录，使得疱疹病毒从潜伏感染中再次活化。这一现象在人和鼠γ-疱疹病毒间非常保守，且蠕虫感染的促进效应与巨噬细胞分化有关[103]。

细菌分子对肠道病毒感染相关的免疫信号传导也有较大影响。Kane等[104]研究显示，肠道细菌的LPS能通过TLR4诱导机体产生IL-10，促使肠道形成免疫耐受的微环境，有利于鼠乳腺癌病毒（Murine mammary tumor virus，MMTV）的体内扩散及感染[104]。无独有偶，Baldrige等[105]证实肠道细菌能够通过抑制宿主的三型干扰素（interferon lambda，IFN-λ）促进MNV的持续性感染。除了IFN-λ，细菌成分还能通过其他天然免疫细胞因子调控宿主抗病毒免疫。例如，用细菌鞭毛蛋白处理小鼠能够激活TLR介导的信号通路，诱导IL-22和IL-18的表达，从而治疗轮状病毒感染[106]。同样，轮状病毒的清除并不依赖于获得性免疫。此外，近期研究表明IL-22和IFN-λ能对清除肠道轮状病毒感染产生协同作用，揭示了肠黏膜天然免疫清除病毒的共有机制[106-107]。在疫苗免疫之外，从菌群调节角度来增强宿主黏膜免疫特别是天然免疫，无疑是一种新的抗病毒策略，给临床治疗肠道病毒感染提供了新思路；这也从另一侧面凸显了解析肠道细菌调控宿主抗病毒黏膜免疫分子机制的重要意义。

3.2 肠道菌群对Ⅰ型干扰素介导的天然免疫的调控机制在过去十年中，研究者们针对肠道菌群对病毒体内复制、传播及致病性展开了系统性研究，并取得了较多新进展。以脊髓灰质炎病毒、呼肠孤病毒和诺如病毒等肠道病毒为模型的研究显示，肠道细菌能够促进肠道病毒感染[108-109]。总体而言，细菌促进病毒体内感染的机制分为两类：一类是提高病毒粒子稳定性、促进病毒对靶细胞的黏附，即提高感染效率的直接机制；另一类是通过抑制宿主黏膜免疫来促进感染的间接机制。然而，凡事皆有两面，Sansone等[110]在果蝇感染模型上证实其肠道共生细菌果实醋杆菌（Acetobacter pomorum，A. pomorum）能够使肠上皮细胞处于天然免疫激活基态，从而抵御果蝇肠道病毒（Drosophila C virus，DCV）感染。该研究表明，上皮细胞抗病毒天然免疫的完整激活需要共生细菌与病毒感染两种信号的协同作用：首先，A. pomorum的肽聚糖通过TLR激活NF-κB并促进其入核，启动分泌因子Pvf2的转录，产生信号一；DCV感染能够激活胞浆中的激酶Ckd9，使得转录暂停基因开放，产生信号二。两种信号协同促进Pvf2的产生，并通过旁分泌形式结合肠上皮细胞表面受体酪氨酸激酶（receptor tyrosine kinase，RPTK）PVR，介导ERK磷酸化激活下游抗病毒天然免疫[110]。

全身性感染是指病原微生物经感染位置突破宿主的物理及免疫屏障，扩散到全身其他器官的感染类型，其主要特征之一就是进入循环系统形成菌血症或病毒血症。与局限于机体单一位置的局部感染相比，全身性感染通常会造成更为严重的后果，甚至诱发机体的多器官功能衰竭，最终导致死亡。多项研究证明，肠道菌群能够调节单核-巨噬细胞介导的宿主天然免疫应答“阈值”（threshold），拮抗病毒全身性感染[101,111-112]。作为在宿主抗病毒天然免疫中处于核心地位的效应性细胞因子，Ⅰ型干扰素的表达受到肠道菌群的调控[113-114]。在这些研究中，无菌小鼠和抗生素处理小鼠均表现出Ⅰ型干扰素表达受阻，对流感病毒（Influenza virus，IV）、淋巴细胞脉络丛脑膜炎病毒（Lymphocytic choriomeningitis virus，LCMV）或仙台病毒（Sendai virus）更为易感，感染后致死率更高[111-112,115-116]。2012年，Ganal等[112]发现无菌小鼠脾脏和淋巴结中的NK细胞不能对鼠巨细胞病毒（murine cytomegalovirus，MCMV）感染产生全身性免疫应答，原因是单核-巨噬细胞的染色质缺乏必要的表观遗传学修饰，其NF-kB、Irf3等促炎基因的启动缺少组蛋白激活标志H3K4me3，导致Ⅰ型干扰素及促炎因子无法表达。此外，Abt等[111]也报道称抗生素处理小鼠的腹腔巨噬细胞对Ⅰ/Ⅱ型干扰素及IV病毒感染不能产生应答，且体内感染的结果证实巨噬细胞重要的Ⅰ型干扰素信号转导核心分子STAT1的磷酸化受阻。对抗生素处理小鼠的巨噬细胞进行全基因转录组分析显示，抗病毒天然免疫相关基因的转录水平普遍低下[111]。另外，肠道菌群缺失还会降低 Irf7、Mx1、Oas1a等干扰素刺激基因（interferon stimulated genes，ISGs）在肺部巨噬细胞中的表达，从而抑制宿主巨噬细胞介导的抗病毒先天性免疫[115,117]。

肠道细菌对Ⅰ型干扰素介导的抗病毒天然免疫的调控作用主要通过其代谢产物来完成。2017年，Steed等[116]报道称肠道酪酸梭状芽孢杆菌（Clostridium orbiscindens）能够降解天然植物中的黄酮类化合物，产生脱氨基酪氨酸（desaminotyrosine，DAT）上调肺部巨噬细胞Ⅰ型干扰素信号通路及下游ISG表达，增强抗IV天然免疫反应。Schaupp等[118]报道，肠道菌群能够促进浆细胞样树突状细胞（plasmacytoid dendritic cells，pDC）产生Ⅰ型干扰素，使经典DC处于免疫应答基态，并在感染时迅速启动抗原递呈，激活获得性免疫应答。几乎同时，Winkler等[119]的研究指出肠道细菌诱导pDC产生Ⅰ型干扰素能够抵御甲病毒，特别是基孔肯雅病毒（Chikungunya virus，CHIKV）在宿主血液单核细胞中的感染与扩散。该研究证实C. scindens单菌定植无菌小鼠能将初级胆汁酸转化为次级胆汁酸，后者能够激活pDC的TLR7-MyD88信号通路，诱导Ⅰ型干扰素产生。以上研究证实pDC是肠道细菌调控宿主产生Ⅰ型干扰素的重要细胞来源。由于pDC具有极强的Ⅰ型干扰素产生能力，在病毒感染早期（1～3 h）能够对病毒核酸产生快速应答，且不依赖Ⅰ型干扰素受体（typeⅠinterferon receptor，IFNAR）的信号反馈，而绝大多数细胞均不具备此功能[120]。因此，肠道细菌代谢产物极有可能首先激活pDC迅速产生第一波Ⅰ型干扰素，激活NK细胞、巨噬细胞等天然免疫细胞，提高宿主天然免疫应答“阈值”以应对病毒感染。

4 结论和展望

肠道菌群与宿主免疫系统间的相互作用复杂多样，且受到各类微环境的多重影响，头绪万千。如本文所述，二者既在肠道局部组织“对话”，调控黏膜免疫，维持肠稳态；又能够与机体肠外组织“交联”，调控其他器官及全身性免疫。目前，针对后者的“肠-脑轴”、“肠-肝轴”、“肠-肺轴”等肠道细菌对宿主远肠端组织的生理及免疫调控正如火如荼地展开，并取得了令人瞩目的新突破。越来越多研究显示，肠道菌群产生的代谢相关生物活性分子以及细菌分子组分是宿主细胞进行必要生理活动的重要组成部分，也对机体正常免疫应答或免疫失常产生深远影响。在肠道菌群与宿主间形成的相互依存、相互制约的共生系统中，不同种类肠道细菌之间、菌群与宿主之间始终处于营养物质共代谢的内平衡，共同决定机体的健康或疾病状态。这些研究进展支持了目前领域内提出的哺乳动物为“全功能体”（holobionts）的概念，即宿主和细菌的基因组作为一个整体（“全基因组”）共同行使功能。研究者们将利用大数据及机器学习方法系统性预测和发掘与免疫系统功能相关的菌群代谢产物和菌体成分，并通过动物模型解析它们免疫调控的分子机制。

肠道菌群的相关研究已经进入“后测序”时代，特定肠道细菌的功能研究逐渐成为主流。尽管研究者们已经开始聚焦菌群代谢与免疫系统互作的分子机制，绝大多数研究仍然集中在少数“明星菌”（如产黏液阿克曼菌等）、“明星代谢产物”（如SCFA、BA等）以及IBD等特定疾病模型上，我们对绝大多数共生菌的免疫调控功能仍知之甚少。同时，限于分离手段和培养条件，很多肠道细菌均无法进行培养和繁扩，功能研究更是无从谈起。此外，菌群功能研究需要良好的无菌动物模型进行支撑。目前被广泛接受的无菌动物模型包括抗生素处理和悉生动物两种：其中抗生素处理相对便宜，使用方便，但菌群清除并不彻底，并具有选择性；与之相比，无菌小鼠完全不携带任何微生物，但价格昂贵，需要特殊隔离系统进行维持，并且肠道生理结构和免疫系统成熟度都不正常。因此，两种无菌模型均有各自的优劣势，在研究中需要注意相互验证。

研究者们通常采用粪菌移植的方式，将临床样本置于无菌小鼠体内以研究特定肠道细菌的免疫调控功能。尽管无菌小鼠是宝贵的研究工具，但我们仍然需要考虑人与小鼠体内微环境的巨大差异，可能对菌群-宿主互作的结果带来很多无法解释的不确定性。同样，考虑到患者的个体差异，粪菌移植疗法的安全性受到质疑，在医学临床上的使用也开始日趋保守。随着菌群研究的不断深入，理想状态是用功能明确的特定菌株，或菌群代谢产物替代传统粪菌移植，在临床上通过靶向性给药治疗炎性肠病或自身免疫病。