Immunity：肠道神经元和肠道平滑肌之间的γ-氨基丁酸能信号可促进秀丽隐杆线虫的先天免疫和肠道防御

一、背景

肠道是哺乳动物的重要器官，具有重要的生理功能，包括食物消化、营养物质吸收、异生物感知和降解以及抵御病原体等。除上皮细胞外，肠道还驻留有大量的免疫细胞类型，如先天淋巴样细胞、肠神经胶质细胞、巨噬细胞和肥大细胞，并包含一个神经元数量与脊髓一样多的神经网络。正常的胃肠道功能依赖于肠道神经系统 (ENS)和肠道先天淋巴细胞高度协调的反应。肠神经元可以与肠道组织内的其他细胞建立功能通讯。例如，神经巨噬细胞相互作用调节肠道运动，并在损伤和感染期间保护组织。由交感、副交感和/或ENSs支配的肠平滑肌不仅收缩并改变胃肠道的硬度或直径，还通过表达和分泌白细胞介素、趋化因子和肽生长因子在炎症过程中发挥重要的代谢作用。然而，肠道平滑肌细胞在病原防御中的作用尚不清楚。

二、简介

2023年7月11日，来自中国湖南大学的Haijun Tu及其团队在Immunity (IF: 32.4)杂志上发表名为GABAergic signaling between enteric neurons and intestinal smooth muscle promotes innate immunity and gut defense in Caenorhabditis elegans的研究[1]。

三、研究亮点

1、肠道神经元和肌肉之间的GABA传递有助于肠道防御。

2、肠道GABA可调节肠道平滑肌FLP-6的产生。

3、肠道GABA/FLP-6信号控制肠道防御的转录程序。

4、肠神经元-肌肉-上皮轴作为先天防御的神经免疫单位发挥作用。

四、主要结果

GABA信号的缺失削弱了秀丽隐杆线虫对铜绿假单胞菌PA14感染的肠道防御

为了在环境病原体暴露中生存，秀丽隐杆线虫可以感知病原体及其相关代谢产物，行为上避开病原体，并触发肠上皮细胞分泌抗菌蛋白的反应来清除入侵的病原体。为了分离病原体感知/回避和病原体清除/肠道防御的机制，我们对秀丽隐杆线虫 (C. elegans)在人类条件致病菌绿脓杆菌 (P. aeruginosa) PA14上进行了生存分析。然后，我们评估了各种秀丽隐杆线虫突变体对病原体感染的易感性。为了更好地了解神经递质在线虫感染肠道防御中的作用，我们首先测试了unc-13突变体的存活情况，unc-13突变体缺乏传递所需的神经递质释放，因为在PA14感染时，突触囊泡与质膜缺乏突触前融合。我们发现，携带unc13 (e51)等位基因的动物对一整块病原体PA14的杀伤表现出更高的敏感性 (图1A)，这表明神经传递参与了秀丽隐杆线虫对PA14感染的生存应答。为了研究在PA14感染的unc-13 (e51)突变体中，哪些类型的神经递质与这种增强的敏感性和神经传递缺陷有关，我们测试了在秀丽隐杆线虫的每一种主要神经递质中都有缺陷的突变体，包括tdc-1 (酪氨酸)、tbh-1 (章鱼胺)、eat-4 (谷氨酸)、cat-2 (多巴胺)、tph-1 (5 -羟色胺)、unc-17 (乙酰胆碱 [ACh])和unc-25 (GABA) (图1B-1H)。在这些突变体中，unc-17和unc-25对PA14感染表现出强大的敏感性增强 (图1G和1H)，而其他突变体没有显著影响 (图1B-1F)。这些数据表明了神经递质ACh和GABA在肠道防御中的潜在作用。由于缺乏囊泡ACh转运体的unc-17突变体对病原体感染的敏感性增强 (图1G)，这与既往研究一致，因此我们在本文中重点研究了GABA信号传导在对PA14感染的先天免疫应答中的作用。

肠道KLF-1与ZIP-10平行参与肠道γ-氨基丁酸能传递依赖的肠道防御

为了确定与ZIP-10平行的其他TF是否发挥肠道防御作用，我们查看了排名前20的TF基因的其余部分 (图6A)。KLF-1是决定寿命的细胞保护反应的介质。我们的RNA-seq数据表明，在GABA信号缺失或PA14感染的蠕虫中，klf-1和klf-3均增加 (图6A)，这一结果通过qRT-PCR得到了验证 (图7A)。秀丽隐杆线虫的KLF基因家族包括KLF -1、KLF -2和KLF -3。这三种KLFs与哺乳动物KLFs的c端C2H2结构域具有广泛的序列同源性。为了确定KLF家族成员是否参与了GABA/flp -6依赖的肠道防御，我们检测了LOF KLF -1对RNAi的敏感性，并发现其对PA14感染的抵抗力增强 (图7B)，而KLF -2或KLF -3无效突变体或KLF -3 RNAi动物的生存情况与野生型在PA14感染时相当。与载体对照相比，klf-1 RNAi动物的CFUs降低 (图7C)。这提示klf-1的缺失导致病原体杀灭机制的激活，有助于增强动物肠道先天免疫。之前的研究确定klf-1在肠道、皮下和一些神经元中表达。然而，我们发现，只有肠道中的klf-1 RNAi表现出对PA14感染的抵抗力增强 (图7B)，而神经元、生殖细胞系或BWM中的klf-1 RNAi并未表现出抵抗力增强。这表明klf-1在肠道中发挥肠道防御功能。我们进一步发现，尽管klf-1 RNAi不能完全抑制增强的对unc25 (e156)或flp-6 (ok3056)突变体的敏感性，但unc-25或flp-6的LOF显著抑制了klf-1 RNAi动物对PA14感染的抵抗力增强 (图7D和7E)。这些数据表明，KLF-1与ZIP-10类似，并与其他尚未确定的TF平行，也冗余地作用于GABA/FLP-6信号通路来调节肠道防御。与野生型相比，exp1 (sa6)或flp-6 (ok3056)突变体的klf-1 mRNA水平升高 (图7F和S7F)。这些数据表明，KLF-1作用于GABA/FLP-6信号通路的下游。pmk-1 LOF抑制了klf-1 RNAi蠕虫对PA14感染增强的抵抗力 (图7G)。在klf-1 RNAi动物中，nsy-1、sek-1和pmk-1的mRNA水平与WT动物的mRNA水平无差异，但tir-1的mRNA水平升高。

图7. 与ZIP-10平行的肠道Kruppel样因子1 (KLF-1)参与肠道γ-氨基丁酸能传递依赖的肠道防御

五、结论及展望

神经系统对肠道稳态和功能至关重要，但其对肠道免疫防御的影响仍存在疑问。通过对秀丽隐杆线虫的主要神经递质进行筛选，我们发现γ-氨基丁酸 (GABA)缺乏增强了对致病性铜绿假单胞菌PA14感染的易感性。肠神经元和肠平滑肌之间的γ-氨基丁酸能信号通过PMK-1/p38依赖的通路促进肠道防御，但不依赖IIS/DAF-16和DBL-1/ tgf -b通路。转录组分析显示，神经肽FLP-6作用于肠道γ-氨基丁酸能信号的下游。进一步的数据表明，FLP-6由肠平滑肌细胞表达和分泌，并作为肠上皮旁分泌分子发挥作用。FLP-6抑制了与PMK-1/p38通路平行作用的转录因子ZIP-10和KLF-1，从而发挥先天免疫和肠道防御作用。总而言之，这些发现揭示了在高等生物中可能进化保守的肠神经元-肌肉-上皮轴。

六、原文链接

https://www.ahajournals.org/doi/10.1161/CIRCULATIONAHA.123.063914

七、参考文献

1.Sayols-Baixeras Sergi,Dekkers Koen F,Baldanzi Gabriel et al. Streptococcus Species Abundance in the Gut Is Linked to Subclinical Coronary Atherosclerosis in 8973 Participants From the SCAPIS Cohort.[J] .Circulation, 2023, undefined: undefined.

转自：“生物医学科研之家”微信公众号

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