Nature:肠道免疫系统与微生物"神同步"
生物通 · 2016/06/12
通过研究年龄从出生到2岁的双胞胎,华盛顿大学医学院的科学家们证实肠道免疫系统与肠道数十万亿的微生物同步发育。这些研究发现对于认识健康生长的基础,及各种免疫疾病如炎性肠病、食物过敏和营养不良儿童对口服疫苗反应不良的起因具有重要的意义。


通过研究年龄从出生到2岁的双胞胎,华盛顿大学医学院的科学家们证实肠道免疫系统与肠道数十万亿的微生物同步发育。这些研究发现对于认识健康生长的基础,及各种免疫疾病如炎性肠病、食物过敏和营养不良儿童对口服疫苗反应不良的起因具有重要的意义。

发表在5月25日《自然》(Nature)杂志上的这项研究,包含了从生活在圣路易斯都会区的40对健康双胞胎处收集的数据。它还包含了来自无菌小鼠(缺乏自身的肠道微生物)的数据。这些小鼠接受了两对双胞胎的肠道微生物移植物。研究人员分析了年龄、遗传、饮食和其他的环境因素(例如婴儿是阴道分娩或是剖腹产娩出)对肠道免疫系统形成以及菌群的影响。

论文的资深作者、华盛顿大学基因组科学与系统生物学中心主任及杰出大学教授Jeffrey I. Gordon博士说:“这项研究为我们提供了一种途径探究肠道菌群和免疫系统在健康婴儿及儿童中共同发育的情况。如果我们能够了解这两个系统的正常互作机制,我们就可以开始确定在出生后的发育关键时期这些互作遭到的破坏,以及这样的破坏可能导致疾病的机制。最终的目标是制定出一些方法来支持两个系统健康协调地发育。”

定居在肠道内的微生物担当着重要的职责,如生成维生素和加工营养物质等。Gordon将肠道中的菌群描述为是必须与机体其他的组织、器官和系统一起发育的微生物“器官”。为了让微生物群能够执行其许多的任务,肠道必须有一个有效的屏障防止居住菌侵入机体的其他部位,不会对这些有益微生物发动慢性免疫攻击。

在以往的研究中Gordon研究小组帮助定义了肠道菌群的正常发育。通过研究孟加拉国、马拉维以及现在圣路易斯的婴儿和幼儿,研究人员已鉴别出了在不同的地理区域,饮食各异的健康儿童共享的一些肠道菌群发育元件。这些研究证实营养不良有可能至少在部分程度上是由于无法正常发育的不成熟肠道菌群所导致。

在当前的研究中,Gordon和同事们研究了同卵双胞胎和异卵双胞胎,这使得研究人员能够随着孩子的成长比较生活在同一家庭密切相关的个体及对比不同的家庭。

研究人员通过探究一种最重要的抗体免疫球蛋白A(IgA)与发育肠道菌群成员之间的互作,估计了肠道免疫系统的发育。通过确定IgA靶向及未靶向哪些细菌,研究人员能够标记出肠道免疫系统成熟的不同阶段。

Gordon和他的研究小组证实,IgA结合了存在于发育菌群中的一些菌株。他们还证实这种IgA“靶向模式”不仅反映了成熟菌群中这些菌株丰度的变化模式。研究婴儿生命早期的肠道微生物,他们发现家庭之间IgA靶向细菌的模式非常的不同,但随后在婴儿生命的第二年朝着一个共享的IgA靶向“程序”进化。随着婴儿的成长,同卵双胞胎与异卵双胞胎相反对IgA靶向细菌相似度只有轻微的影响。

为了鉴别出人类遗传学之外可能控制靶向的因素,研究人员将从两对6月和18月龄双胞胎处取得的肠道菌群样本,移植到了年轻的无菌小鼠体内。他们喂给小鼠一系列的饮食模拟从乳汁哺乳转变为固体食物,为了进行比较,随后又恢复乳汁喂养。在动物模型中重现了在双胞胎中看见的年龄特异性的IgA靶向细菌模式。并且,一些(并非大部分)IgA反应受到饮食转换的影响,表明饮食起部分作用,但细菌的内部特性,例如它们的表面特征,在支配肠道免疫系统靶向它们中是更大的作用因子。

Gordon研究小组当前正在确定在这些双胞胎中共享的肠道IgA反应正常成熟程序是否适用于世界上不同地区的婴幼儿,包括一些营养不良肆虐的地区。

这项研究还提出了肠道免疫可能发生功能故障的一种新途径。虽然一些个体可能仅仅是缺乏足够量的IgA,另一些人或许有着从前被忽视的,以异常的IgA靶向肠道细菌模式呈现的IgA缺陷。

本文转载自生物通,原标题“Nature发布重要免疫发现”。

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  • Development of the gut microbiota and mucosal IgA responses in twins and gnotobiotic mice

    Immunoglobulin A (IgA), the major class of antibody secreted by the gut mucosa, is an important contributor to gut barrier function1, 2, 3. The repertoire of IgA bound to gut bacteria reflects both T-cell-dependent and -independent pathways4, 5, plus glycans present on the antibody’s secretory component6. Human gut bacterial taxa targeted by IgA in the setting of barrier dysfunction are capable of producing intestinal pathology when isolated and transferred to gnotobiotic mice7, 8. A complex reorientation of gut immunity occurs as infants transition from passively acquired IgA present in breast milk to host-derived IgA9, 10, 11. How IgA responses co-develop with assembly of the microbiota during this period remains poorly understood. Here, we (1) identify a set of age-discriminatory bacterial taxa whose representations define a program of microbiota assembly and maturation during the first 2 postnatal years that is shared across 40 healthy twin pairs in the USA; (2) describe a pattern of progression of gut mucosal IgA responses to bacterial members of the microbiota that is highly distinctive for family members (twin pairs) during the first several postnatal months then generalizes across pairs in the second year; and (3) assess the effects of zygosity, birth mode, and breast feeding. Age-associated differences in these IgA responses can be recapitulated in young germ-free mice, colonized with faecal microbiota obtained from two twin pairs at 6 and 18 months of age, and fed a sequence of human diets that simulate the transition from milk feeding to complementary foods. Most of these responses were robust to diet, suggesting that ‘intrinsic’ properties of community members play a dominant role in dictating IgA responses. The approach described can be used to define gut mucosal immune development in health and disease states and to help discover ways of repairing or preventing perturbations in this facet of host immunity.

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