Nature:发现一种肠上皮细胞亚群表达MHC II、募集T细胞、抵御肠道菌感染的关键机制

发表在《自然》杂志上的一项研究为吸收性肠上皮细胞(IECs)和T细胞如何共同保护肠道屏障免受肠致病性细菌的侵害带来了新的认识。他们描述了一种新发现的吸收性IECs亚群如何在鼠柠檬酸杆菌诱导的肠道感染小鼠模型中，作为主要靶点和关键应答者，与免疫细胞相互作用抵御病原体感染。

　　

肠上皮细胞排列在肠道内壁上，形成一道屏障，抵御各种致病性微生物，这些病原体试图附着并破坏这种屏障，对人类健康构成重大风险，会导致腹泻等疾病甚至导致婴儿死亡。

由阿拉巴马大学伯明翰分校Casey Weaver医学博士研究组一项发表在《自然》杂志上的研究，对吸收性肠上皮细胞(IECs)和T细胞如何共同保护肠道屏障有了新的认识。他们新发现了一种吸收性肠上皮细胞(IECs)亚群——在鼠柠檬酸杆菌（Citrobacter rodentium）诱导的肠道感染小鼠模型中，它既是主要靶点，也是关键应答者。

新研究建立在Zindl和Weaver于2022年发表在《免疫》杂志上的一项研究的基础上——在肠道感染小鼠模型中，感染早期先天淋巴样细胞的白介素-22信号传导、以及感染后期CD4 T细胞的IL-22信号传导，在防御肠道屏障中发挥着独特而不可或缺的作用。来自CD4 T细胞的细胞因子IL-22介导的信号传导是保护结肠隐窝免受柠檬酸杆菌入侵和确保小鼠生存所必需的。

新的研究解释了CD4 T细胞如何通过与新发现的吸收性肠上皮细胞(IECs)亚群的相互作用来维持延长的IL-22信号。这进一步表明，除了来自先天淋巴样细胞的早期IL-22和来自CD4 T细胞的晚期IL-22外，这种新发现的IEC细胞反应也是先天和适应性免疫系统与组织特异性非免疫细胞群之间协调相互作用的关键部分，以抵抗病原体入侵。

在小鼠和人类的结肠表面都有肠上皮细胞(IECs)，它们面向结肠的管腔，排列在大量结肠隐窝的口部——人类大约有990万个。这些隐窝有微小的凹痕，形状像厚壁试管，在每个隐窝的底部是干细胞，它们不断地产生新的内皮细胞，形成了一个从隐窝基部到管腔的成熟细胞的“阶梯”。IECs的寿命只有2 ~ 6天，因此需要经常更换。

鼠柠檬酸杆菌附着在小鼠结肠的中远端区域，开启了结肠隐窝的快速延伸，加速已感染病原体的肠上皮细胞脱落——这是感染的标志——被认为是保护肠道干细胞，使它们远离管腔表面的病原体。

在这项研究中，利用来自未感染小鼠中远端结肠的IECs的单细胞RNA测序，作者发现了吸收性IECs的两个谱系亚群，并通过50种不同基因的差异基因表达谱进行了鉴定。这两个亚群分别被标记为远端结肠细胞(DCCs)和近端结肠细胞(PCCs)。每个亚群可通过特定的细胞标记来区分——Ly6g用于远端结肠细胞, Fabp2用于近端结肠细胞。

此外，对未感染小鼠中远端结肠的IECs与感染小鼠的单细胞RNA序列分析表明，远端结肠细胞是鼠柠檬酸杆菌感染的主要应答者，近端结肠细胞不是。远端结肠细胞的祖细胞经历了相当大的扩增，细胞谱系经历了快速成熟和细胞命运的改变，成为高度激活的病原体诱导结肠细胞，有利于宿主防御，包括IL-22和干扰素- γ诱导的宿主防御基因。

利用不同的细胞标记，Zindl和他的同事们发现，远端结肠细胞主要存在于远端结肠、在中结肠与近端结肠细胞参差分布。近端结肠细胞主要出现在结肠近端和小肠回肠末端。（这是将两种谱系命名为远端或近端结肠细胞的基础。）研究人员进一步发现，在结肠的管腔表面，鼠柠檬酸杆菌倾向于与远端结肠细胞结合，而不是近端结肠细胞，这解释了为什么病原体的定植仅限于小鼠的中远端结肠。

研究人员还发现，在两个亚群之间，宿主对IL-22的防御反应存在分层。在远端结肠细胞中，许多被认为依赖于T细胞IL-22信号的基因呈现上调，包括抗菌肽和中性粒细胞募集趋化因子。相反，IL-22诱导的凝集素家族抗菌肽基因的上调是近端结肠细胞特有的。

除了激活远端结肠细胞以增强抗菌防御外，还需要CD4 T细胞将IL-22输送到远端结肠细胞，以加速在管腔表面清除和替换感染的结肠细胞，从而加快病原体的清除。Weaver说，这代表了一种新的机制，通过IL-22信号进入远端结肠细胞，可以抵消鼠柠檬酸杆菌的一种保留受感染远端结肠细胞的效应机制。

在典型的适应性免疫反应中，T细胞被树突状细胞激活，树突状细胞在感染部位(如结肠)捕获病原体，然后迁移到淋巴结，通过树突状细胞表面的主要组织相容性分子(MHC)将病原体抗原呈现给T细胞。这种表现是通过细胞间的直接接触发生的。鼠柠檬酸杆菌将自身固定在宿主肠上皮细胞上，并将自己的蛋白质注入肠上皮细胞内，以帮助它们存活更长时间。已知在感染后期CD4 T细胞到达结肠中远端时IECs会表达MHC II类分子，但IECs是否可以呈递细菌抗原直接募集CD4 T细胞？为了验证这一点，研究人员构建了一种新的鼠柠檬酸杆菌细菌基因工程株，它携带一种特定的T细胞可以识别的分子。他们发现，结肠ICE确实需要通过依赖MHC-II的抗原呈递，以维持Th17细胞和Th22细胞，并引发IL-22依赖的帮助来抵御鼠柠檬酸杆菌。

作者视角

UAB病理学助理教授Zindl说:“在这里，我们确定了吸收性肠上皮细胞的一个亚谱系，它局部局限于结肠中远端，是C. rodentium的目标，这解释了病原体对这个组织生态位的偏好。”“我们发现IL-22信号在这一群细胞中触发了一种独特的基因表达程序，不同于常见的分布于大肠和小肠近端的吸收性肠上皮细胞。我们进一步确定了肠上皮细胞抗原呈递在诱导T细胞有益的IL-22信号中具关键作用。”

Wilson说:“我们的研究结果解决了长期存在的难题，即为什么鼠柠檬酸杆菌的定植受到区域限制，它们揭示了T细胞在保护肠道屏障中不可或缺的作用的基础——也就是说，T细胞通过肠上皮的非经典抗原呈递在局部被激活，以维持大幅度的IL-22信号传递给肠上皮细胞，这些细胞经历了发育转变以应对感染。”“我们鉴定出鼠柠檬酸杆菌特异性靶向的吸收性肠上皮细胞亚型，应该有助于比较研究，以确定附着性和消蚀性肠病原体的物种特异性和细胞特异性取向的基础。”

Weaver说：“除了对MHC II类抗原加工和呈递机制的上皮细胞表达对宿主防御的重要性提供新的见解外，我们的发现揭示了一种免疫相互作用的协调——通过这种相互作用抵御和清除肠病原体的附着，并确定了一种新的、T细胞可以与之对话的吸收性肠细胞亚群。”