罗伊氏乳杆菌色氨酸代谢促进宿主对CNS自身免疫的敏感性

背景

多发性硬化 (MS)是一种慢性中枢神经系统 (CNS)自身免疫性疾病，是青年人非创伤性神经功能障碍的主要原因。全球患病率和发病率持续上升，其中MS在美国影响了100万人，在全球影响了200多万人。MS的病理改变包括神经炎症我、髓鞘变性、轴突损伤和血脑屏障完整性丧失等。MS的Te自身免疫应答以促炎细胞CNS影响为特征，由T1/T17细胞启动，由先天免疫细胞和B细胞增殖。由此产生的临床特征范围广泛，包括四肢无力、感觉障碍、与疲劳相关的视力和中枢神经系统功能改变、认知障碍、抑郁、情绪变化以及各种胃肠障碍。MS的原发性自身免疫性动物模型，实验性自身免疫性脑脊髓炎 (EAE)，是通过用髓鞘抗原免疫诱导的，刺激髓鞘特异性T1/T17反应，导致CNS侵袭性病变、脱髓鞘、轴突丢失和神经功能障碍。

简介

2022年11月23日，来自美国佛蒙特大学的Theresa L. Montgomery及其团队在Microbiome (IF: 11.607)杂志上发表名为Lactobacillus reuteri tryptophan metabolism promotes host susceptibility to CNS autoimmunity的研究[1]。

主要结果

多样性的分离和基因组特征

小鼠肠道共生菌群中的乳杆菌

为了确认每种细菌的物种特性和确定最接近的系统发育邻居，我们使用NCBI非冗余原核生物基因组数据库，根据微生物基因组图谱 (MiGA)在线服务器查询了每个细菌物种的两个独立分离株的草图基因组。除路氏乳杆菌分离株#1的p<0.08外，每个分离株的种水平同一性在p<0.05得到确认 (图1A-C)。采用平均核苷酸同源性 (ANI)和平均氨基酸同源性 (AAI)分别表示亲缘关系较近的类群和亲缘关系较远的类群之间的同源性百分比和基因组共享比例。如两个指标所示，在每个物种内，每个两个分离株与同一亚种的亲缘关系最密切。罗伊氏乳杆菌、鼠形乳杆菌和约氏乳杆菌分离株的基因组草图分别与罗伊氏乳杆菌亚种I5007、鼠形乳杆菌亚种CR141和约氏乳杆菌亚种Byun-jo-01亲缘关系最近 (图1D-F)。

图1. 乳杆菌分离株具有高度的差异性，表现出代谢潜能的全局差异

膳食色氨酸的可利用性深刻地改变了系统循环宿主和细菌代谢产物

为了确定色氨酸限制对体内全身性代谢产物的整体影响，从经过完整30天EAE病程后喂养低色氨酸或高色氨酸膳食的小鼠收集血清，并通过UPLC-MS/MS进行分析 (图4B)。数据合并独立于微生物群来具体分析膳食本身导致的变化。PLS-DA分析显示，沿成分1的膳食有明显的分离，约占总方差的20% (图6A)。在PLSDA预测中提取前15个代谢物作为重要变量 (VIP)，发现了预期的色氨酸相关代谢物，包括在单一培养条件下由罗伊氏乳杆菌产生的大量细菌吲哚。此外，我们还观察到一些经典的哺乳动物色氨酸代谢物，包括N-乙酰基犬尿氨酸和N-乙酰基色氨酸 (图6B)，以及对甲酚硫酸盐中色氨酸依赖的显著增加。在低色氨酸和高色氨酸膳食喂养的小鼠之间，通过直接倍数变化分析获得了类似结果，结果用火山图 (图6C)或热图 (图6C, D)表示。除了全身性色氨酸相关代谢物的变化，低色氨酸膳食喂养的小鼠的胆汁酸相关代谢物增加，包括4-胆甾烯-3-酮、次牛磺酸、熊去氧胆酸盐和6- β -羟基石胆酸盐 (图6E-H)。值得注意的是，在低色氨酸喂养的小鼠中，结合胆汁酸和次级胆汁酸的增加似乎是罗伊氏乳杆菌依赖的 (图6F-H)。此外，饲喂低色氨酸膳食的小鼠的循环烟酰胺 (包括N1 -甲基-4-吡啶酮- 3-甲酰胺、N1 -甲基-2-吡啶酮-5-甲酰胺和烟酰胺本身)也耗竭 (图6C, I, J)，这与色氨酸作为烟酰胺合成前体的作用一致。综上所述，低色氨酸膳食介导的EAE抑制表现为细菌和哺乳动物色氨酸代谢物显著减少，同时烟酰胺代谢减少和胆汁酸增加。

图6. 膳食色氨酸可获得性改变宿主系统循环和细菌代谢物

在体外，罗伊乳杆菌代谢产物激活芳香烃受体并增加T细胞产生IL - 17

为了确定通过对罗伊乳杆菌单株培养物和罗伊乳杆菌定植小鼠血清中鉴定出的代谢物是否作为AhR的配体发挥作用，我们利用了一种基于细胞的报告基因检测方法，该方法将荧光素酶表达与配体依赖性AhR激活联系起来。我们选择了15种代谢物，分别用1μM、10μM或100μM处理，使用和不使用AhR拮抗剂CH-223191。所有测试的吲哚衍生物均以浓度依赖性方式激活AhR (图9A, B)。有趣的是，色胺和吲哚-3-乙醛酸作为新的罗伊氏乳杆菌色氨酸代谢物，对AhR激活的诱导作用最强。此外，吲哚-3-乙醛酸对AhR拮抗剂的应答最弱 (图9C)，这提示与受体的高亲和力结合、跨细胞膜扩散增强或对AhR激动剂CH-223181的抑制具有不同的敏感性。在L. reuteri产生的4种咪唑类药物中，1-甲基-4 -乙酸咪唑作为激动剂发挥作用的能力与吲哚-3-乙酸盐 (图9A, B)相当，吲哚-3-乙酸盐是先前已确定可激活AhR的乳杆菌特异性代谢物。令人惊讶的是，5-氨基咪唑- 4-甲酰胺、4-咪唑乙酸酯和对甲酚硫酸酯抑制了基线AhR活性 (可能是培养基中存在的配体激活了AhR) (图9A, B)，这表明罗伊乳杆菌产生的代谢物对受体活性有复杂的调节作用。综上所述，罗伊乳杆菌可产生多种色氨酸衍生的代谢物，这些代谢物可作为免疫调节性AhR的激动剂或拮抗剂，包括高亲和力结合配体。

图9. 罗伊乳杆菌代谢产物是芳香烃受体的配体，并足以引发Th17免疫应答

结论及展望

我们的数据表明，肠道共生菌 (如推定的益生菌罗伊乳杆菌)的色氨酸代谢可出人意料地增强自身免疫，诱导代谢组学和免疫系统发生广泛转变。

原文链接

https://microbiomejournal.biomedcentral.com/articles/10.1186/s40168-022-01408-7

转自：“生物医学科研之家”微信公众号

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