Nature | 菌群代谢物激活自然杀伤性T细胞的机制

机体与共生微生物相互作用，共同进化，在机体的免疫系统发育和稳态维持发挥关键作用。微生物代谢物多样性水平很高，宿主已经进化出复杂的机制来区分病原体和共生体衍生而来的分子。但是在一个物种中，微生物代谢物仍然会存在结构变异。以结构为基础探究化学异构体的生物学作用极具挑战性。

在人肠道微生物中，脆弱拟杆菌经常用于研究共生菌衍生物活性的分子机制。目前已经鉴定出α-半乳糖神经酰胺（α-Galactosylceramide BfaGCs）是由脆弱拟杆菌产生的可用做免疫调节分子的衍生物。新生小鼠脆弱拟杆菌单菌定植或者新生小鼠口服BfaGCs可以调节肠道NKT细胞数量。而给与小鼠BfaGCs突变的脆弱拟杆菌，小鼠的表现类似于无菌小鼠。也有报道发现鞘氨醇单胞菌可以调控肠道NKT（natural killer T）细胞功能。但是菌群衍生物在调控宿主免疫系统中的分子机制尚不清楚。

2021年11月10日，来自哈佛大学的Dennis L. Kasper 团队在Nature 上发表题为Host immunomodulatory lipids created by symbionts from dietary amino acids 的文章。本研究从结构水平上证实BfaGCs可以直接作用于NKT细胞，与CD1d和TCR结合激活NKT。

作者首先利用LC-MS/MS技术分析脆弱拟杆菌鞘脂发现BfaGCs是同源酰基链的混合物。其中C34丰度最高。鉴于共生菌来源鞘脂的结构多样性，作者系统构建了16个BfaGCs类似物，7个异构体。支链BfaGCs在真核生物中相对少见，原核生物中更常见。于是作者评估了支链氨基酸对于BfaGCs生物合成的影响。分析后发现支链氨基酸可以直接渗入脂质决定BfaGCs的结构，而不含氨基酸时BfaGCs倾向于单支和非支化结构。进一步研究发现宿主饮食中补充或者去除支链氨基酸直接影响单支和分支型鞘脂的比例。这些结果在分子水平证实了宿主膳食对于肠道菌群衍生物合成的影响。

接下来作者开始通过靶向脆弱杆菌支链氨基酸代谢途径来探究支链BfaGCs对于肠道NKT的调控作用。支链氨基酸转氨酶BCAT将支链氨基酸脱氨基为a-酮羧酸，进一步再转化为支链脂肪酸。作者构建了目标基因敲除菌株（BF9343-Δ3671）。对比发现野生菌株与敲除菌株在小鼠肠道定植水平相当，敲除菌株产生不含分支的BfaGCs水平更高。分析结果显示敲除菌株定植的小鼠成年后结肠NKT细胞数量较高。

作者又利用BMDC（小鼠骨髓来源树突状细胞）和NKT共培养体系评估21种合成BfaGCs对NKT的作用。检测IL2的产生水平，作者把21中合成物分成了两组：强刺激物和弱刺激物。10个属于强刺激物都是分支结构，11个弱刺激物没有这些结构。作者又直接挑选了支链和不含支链的代表合成分子SB2222和SB2223，浓度梯度实验发现支链长度与刺激强度无关。作者用脆弱拟杆菌主要合成的SB2217 和SB2219进行体内实验。对比与KRN7000诱导的IFNr产生和CD1d配体OCH诱导的IL4，含支链的SB2217则只能较弱的产生IFNr和IL4，不含支链的SB2219则几乎不能产生IFNr和IL4。预防性给与小鼠SB2217可以保护小鼠免受炎症，减少小鼠体重减轻和组织损伤。为了细致分析SB2217的体内效应，作者分析了SB2217处理后脾脏NKT细胞的转录组特征。分析发现SB2217可以促进NKT相关细胞因子表达以及免疫信号的激活。这表明SB2217是CD1d的功能性配体和NKT细胞的激动剂。最后作者分析了BfaGC和CD1d、TCR相互作用的晶体结构，从结构水平上证明了BfaGC是由CD1d呈递的配体，并被NKT细胞受体以保守方式识别。亲和力比较支链BfaGC SB2217大于非支链 SB2219。

本研究证实BfaGCs的分支结构是激活NKT细胞的关键决定因素，从而诱导特定的免疫调节基因表达特征，并从结构水平和亲和力分析证实了BfaGCs与CD1d和TCR相互作用方式。本文为菌群、饮食以及免疫系统相互作用提供了分子机制范式。

原文链接：

https://doi.org/10.1038/s41586-021-04083-0