近年來，腸道微生物的研究成為了生命科學領域最火的研究方向之一。這些居住在我們體內的小生物通過各種各樣的方式影響著人體運轉的方方面面，它們控制著我們的
食慾、情緒、免疫力以及各種疾病的發生。
在這個複雜的「人菌交互」之中，還有許多謎團等待著科學家們去揭開。
4 月 15 號，來自紀念斯隆 - 凱特琳癌症中心（Memorial Sloan Kettering Cancer Center）的 Alexander Y. Rudensky 教授帶領團隊在 Nature 發表了題為《Bacterial metabolism of bile acids promotes generation of peripheral regulatory T cells》的論文 [1]，首次深入揭示了腸道細菌的膽汁酸代謝產物促進外周調節性 T 細胞（Peripheral regulatory T cells, pTreg）的產生，並因此影響宿主免疫的機制。
研究內容
研究人員的思路從一開始就非常清晰。一些腸道微生物的代謝產物早已被證明能夠調控Treg 的產生。作為膽汁的主要成分，人體所產生的膽汁酸中的 95% 會被循環吸收後運送回肝臟，但還有剩下 5% 在腸道中被微生物轉化為次級膽汁酸。此前，該研究團隊在調節性 T 細胞領域耕耘多年，並發現了轉錄因子 Foxp3 在調節性 T 細胞 (Treg) 的發育過程中起到關鍵性的調控作用。所以研究人員很自然的聯想了少有人深究過的膽汁酸代謝產物在 pTreg 上的作用與具體機制。
研究人員首先對所有主要的次級膽汁酸異構體進行了篩選，發現只有 ω-MCA 和 isoDCA 可以顯著促進 Treg 的分化。與此同時，ω-MCA 和 isoDCA 並不能促進 Th17 細胞的分化，揭示這兩者的促分化作用是 Treg 特異性的。研究人員還揭示了 ω-MCA 和 isoDCA 的異構體們沒有促進 Treg 分化的作用的原因，發現是次級膽汁酸中特定羥基的空間方向決定了它們的功能，揭示了是腸道微生物對次級膽汁酸的差向異構化決定了後者的免疫調節作用。
由於常規 Treg 分化需要包括樹突狀細胞（DC）的抗原呈遞細胞來實驗，研究人員隨後次級膽汁酸的調節作用是否需抗原呈遞細胞的參與。結果顯示，在沒有 DC 細胞的環境下，isoDCA 不僅沒能提高 Treg 細胞的分化，反而造成了 Treg 比例的減少。這意味著isoDCA 的促 Treg 生成作用是通過一種與其他報道截然不同的 T 細胞外在免疫調節機制（T cell-extrinsic immunoregulatory mechanism），這種機制是作用於抗原呈遞細胞（包括 DC 細胞）來實現。
由於此前研究已經報道了膽汁酸作用於類法尼醇 X 受體（Farnesoid X receptor，FXR）影響哺乳動物細胞的生理功能，所以作者隨後在 Treg 生成細胞模型中分別敲除了 DC 細胞與 T 細胞上的 FXR，發現 T 細胞的 FXR 被敲除後並不會影響 isoDCA 的促 Treg 生成作用，反倒是 DC 細胞中 FXR 的缺失讓 isoDCA 失去了效果，這再次證明了 isoDCA 是直接作用於 DC 細胞來影響 Treg 的分化。
隨後，研究人員對 isoDCA 處理過後的野生型 DC 細胞進行 RNA-seq，識別出一系列可能參與 isoDCA 調節作用的基因。包括參與抗原呈遞的基因 Ciita、Ctse、H2ab、 H2eb 和 H2dma，以及參與檢測和傳導促炎症信號的基因 Tlr7, Tlr12, Nlrc5, Stat2, Stat6, Irf1 和 Irf7 都出現了明顯的下調；而抑制炎症通路 NFκB 的調節因子則出現了明顯的上調，這些數據證明 isoDCA 抑制了 DC 細胞中的炎症反應。
對 FXR 敲除的 DC 細胞進行 RNA-Seq 後發現，FXR 敲除和 isoDCA 導致的基因變化出現了重合，證明 isoDCA 可能是通過抑制 FXR 信號傳導來產生作用。
隨後，研究人員利用 FXR 的天然激動劑 CDCA 和合成激動劑 GW4064 進行了 FXR 通路相關的實驗，揭示出 isoDCA 是 FXR 的一種受體拮抗劑。
在體外驗證了 isoDCA 的作用後，研究人員構建了改造了擬桿菌屬的細菌，讓它們特異性產生 isoDCA。在 Clostridium scindens 菌（CS 菌）產生前體後，擬桿菌屬的工程菌會在體內製造出更多的 isoDCA 。
讓這些工程菌和 CS 菌在小鼠體內定植後，研究人員檢測了小鼠體內 pTreg 的佔比。實驗數據顯示，活細菌與死細菌的定植都能顯著提高 pTreg 的百分比，但功能性活工程菌帶來的提升顯著高於死細菌。在沒有 CS 菌製造 isoDCA 前體的小鼠體內，研究人員並未發現 pTreg 佔比的顯著升高，證明工程菌的作用是通過加工前體以產生 isoDCA 來實現的。最後，研究人員敲除了 Foxp3 的增強子 CNS1，發現工程菌無法再增加 pTreg 的產生，揭示了 isoDCA 是作用於經典的 pTreg 分化機制來促進 Treg 分化，這個過程中需要 CNS1 的參與。
研究意義
腸道微生物自身的代謝產物增加 pTreg 的產生在哺乳動物體內並不罕見，但本文首次報道了腸道微生物通過加工宿主內生類固醇之一的膽汁酸來得到 isoDCA，並促進 pTreg 分化的全新機制。通過詳盡的體外實驗，作者發現了 isoDCA 拮抗 DC 細胞的 FXR 受體，以此抑制 DC 細胞內的炎症反應，並促進具有負調節免疫功能的 Treg 細胞產生。
作者還運用了特異性產生 isoDCA 的工程菌組合，在體內進一步證明了 isoDCA 對於 Treg 細胞分化的直接作用。研究的體內和體外實驗設計的調理清晰，證明過程行雲流水。
本次研究對 FXR 機制的探究為複雜的黏膜免疫反應提供一個全新的角度，這種細菌產生的次級膽汁酸是否能夠影響除了 DC 細胞以外的其他免疫細胞和相應膽汁酸受體值得進一步研究。
延伸閱讀
Alexander Y. Rudensky 教授的工作在 Treg 形成機制揭示中起到了重要的作用，他也因為這些工作引得無數獎項，並因此在 2015 年成為了湯森路透社預測諾獎的「引文桂冠得主」，自從 2002 年開始預測以來，已經有 43 人「引文桂冠得主」獲得了諾貝爾獎。
Alexander Y. Rudensky 教授對於腸道微生物與 Treg 的研究可以追溯到七年前。
2013 年 11 月 13 日，Alexander Y. Rudensky 團隊和來自日本理研所 RIKEN 的 Hiroshi Ohno 團隊就在 Nature 背靠背發表題了題為《Metabolites produced by commensal bacteria promote peripheral regulatory T-cell generation》[2] 和《Commensal microbe-derived butyrate induces the differentiation of colonic regulatory T cells》的兩篇論文 [3]，報道了共生菌的代謝產物能夠調節 Treg 的產生。
後來其他學者也先後跟進，2019 年 11 月底，來自美國哈佛、斯坦福和紐約大學聯合團隊在 Nature 發表了題為《Bile acid metabolites control TH17 and Treg cell differentiation》的論文 [4]，揭示了膽汁酸代謝物調控 TH17 和 Treg 細胞平衡，從而調控宿主免疫。有趣的是，這項研究的作者發現無菌鼠中並不存在這些代謝產物，暗示了共生菌在這個調節中起到關鍵性作用。
一個月後，同樣來自哈佛大學的 Dennis L. Kasper 在 Nature 發表題為《Microbial bile acid metabolites modulate gut RORγ+regulatory T cell homeostasis》的論文 [5]，在體內觀測到了微生物產生的膽汁酸代謝物促進了 pTreg 的產生，但沒有就細胞層面的機制做過多的剖析。
作為 Treg 細胞研究的奠基人之一，Alexander Y. Rudensky 的本次研究進一步揭示了腸道微生物產生的次級膽汁酸 isoDCA 是如何在細胞層面通過 DC 細胞的 FXR 受體調節 Treg 的分化，對這種複雜「人菌交互」現象提供了更深入的理解。
參考文獻向上滑動閱覽
1. Campbell, C., et al., Bacterial metabolism of bile acids promotes generation of peripheral regulatory T cells. Nature, 2020.
2. Arpaia, N., et al., Metabolites produced by commensal bacteria promote peripheral regulatory T-cell generation. Nature, 2013. 504(7480): p. 451-455.
3. Furusawa, Y., et al., Commensal microbe-derived butyrate induces the differentiation of colonic regulatory T cells. Nature, 2013. 504(7480): p. 446-450.
4. Hang, S., et al., Bile acid metabolites control TH17 and Treg cell differentiation. Nature, 2019. 576(7785): p. 143-148.
5. Song, X., et al., Microbial bile acid metabolites modulate gut RORγ+ regulatory T cell homeostasis. Nature, 2020. 577(7790): p. 410-415.
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