菌群對于免疫穩(wěn)態(tài)至關(guān)重要，并為細菌和真菌病原體提供競爭屏障，然而我們對腸道菌群如何調(diào)節(jié)全身免疫和對病毒感染的反應(yīng)仍然知之甚少。2022年5月來自瑞典Umea?大學(xué)的Nelson O. Gekara團隊在Immunity（IF 31.745）上發(fā)表題為“The gut microbiota primes systemic antiviral immunity via the cGAS-STING-IFN-I axis”的文章，通過一系列先天免疫途徑缺陷小鼠模型和體外細胞培養(yǎng)實驗，結(jié)合16S rDNA和轉(zhuǎn)錄組高通量測序發(fā)現(xiàn)腸道菌群通過激活機體的胞質(zhì)cGAS-STING信號通路維持機體靜息狀態(tài)下基礎(chǔ)水平系統(tǒng)性I型干擾素（IFN-I）的產(chǎn)生，這對機體抵抗病毒感染具有重要作用。這種菌群引起的cGAS-STING-IFN-I激活不依賴于細胞表面定位的Toll樣受體（TLR）信號傳導(dǎo)或宿主-細菌間直接相互作用，而是通過細菌來源的膜囊泡（Membrane vesicles，MV）將細菌DNA遞送到遠端宿主細胞中，并以cGAS依賴性方式促進DNA和RNA病毒的清除，從而促進宿主對全身性病毒感染的抵抗力。

研究材料

不同先天性免疫途徑缺陷的C57BL/6小鼠（圖2C）、6種細胞系、E. coli及其突變體、I型單純皰疹病毒（HSV-1，DNA病毒）和水泡性口炎病毒（VSV，RNA病毒）

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?技術(shù)路線

步驟1：用抗生素耗竭小鼠腸道菌群，導(dǎo)致IFN-I反應(yīng)的基礎(chǔ)水平降低，削弱抗病毒免疫；

步驟2：不同先天性免疫途徑缺陷小鼠模型實驗證實菌群驅(qū)動的IFN-I活化，依賴于宿主細胞中檢測胞質(zhì)DNA的cGAS-STING先天免疫通路的活化，而不是通過TLR信號或與宿主細胞的直接接觸；

步驟3：體外、體內(nèi)實驗表明，在機制上：細菌產(chǎn)生的膜囊泡（MV）將細菌DNA輸送到遠端的宿主細胞中，從而激活cGAS-STING-IFN-I軸；

步驟4：小鼠模型實驗證實腸道菌群釋放的含細菌DNA的MV可進入血液，通過cGAS-STING-IFN-I軸促進宿主對DNA和RNA病毒的清除。

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?研究結(jié)果

1. 腸道菌群對于先天抵抗病毒感染至關(guān)重要

為了研究抗生素使用腸道菌群及病毒感染結(jié)果的影響，通過口服混合抗生素處理小鼠。2周后，對糞便細菌的16S rDNA測序和qPCR定量結(jié)果表明，抗生素處理小鼠的腸道細菌群落顯著減少（圖1 A-C）。當(dāng)通過鼻內(nèi)或腹膜內(nèi)途徑分別用HSV-1誘導(dǎo)局部肺部或全身感染時，口服抗生素小鼠中HSV-1復(fù)制更高且臨床癥狀更嚴重（圖1 D-H）。這些結(jié)果表明共生腸道細菌有助于全身抵抗病毒感染和保護遠端器官。

2. 腸道菌群通過STING驅(qū)動全身性IFN-I啟動

基礎(chǔ)IFN-Is對病毒感染的先天抗性至關(guān)重要。為了評估抗生素治療后病毒復(fù)制增強是否是由于共生細菌對 IFN-I引發(fā)的可能影響，研究者檢測了Ifnb1熒光素酶報告基因小鼠的基礎(chǔ)IFN-I水平?？诜股貙?dǎo)致全身基礎(chǔ)Ifnb1水平降低（圖2 A）。小鼠組織的RNA-Seq測序數(shù)據(jù)表明，口服抗生素小鼠中，干擾素刺激基因ISG和促炎細胞因子的表達降低（圖2 B）。這些數(shù)據(jù)表明，腸道菌群對先天免疫啟動至關(guān)重要，賦予宿主病毒感染抵抗力。

為了剖析哪些先天免疫通路有助于菌群驅(qū)動的IFN-I啟動，研究者分析了缺乏不同先天免疫通路受體的Ifnb1熒光素酶報告小鼠（圖2 C、D）。結(jié)果顯示TLR通路存在缺陷小鼠的基礎(chǔ)IFN-I反應(yīng)沒有顯著變化（圖2 E、F），這意味著全身性IFN-I啟動在很大程度上與TLR無關(guān)。而STING（細胞質(zhì)cGAS信號接頭蛋白）通路存在缺陷的小鼠基礎(chǔ)Ifnb1水平顯著降低（圖G-I），證明胞內(nèi)核酸傳感器對全身性IFN-I啟動至關(guān)重要。

口服抗生素消除了WT和STING缺陷小鼠之間的IFN-I反應(yīng)差異，而糞菌移植則可恢復(fù)WT小鼠中的Ifnb1反應(yīng)（圖2 J、K）。表明通過STING驅(qū)動全身性IFN-I啟動反應(yīng)由腸道共生細菌引發(fā)。此外，研究者觀察到口服抗生素小鼠的STING蛋白水平?jīng)]有下降（圖2 L），這意味著觀察到的基礎(chǔ)IFN-I反應(yīng)下降不是由于STING的喪失。

3. 細菌性MV啟動STING-IFN-I軸以促進抗病毒先天免疫

當(dāng)在transwell系統(tǒng)中與BMDM細胞共孵育時（防止細菌與宿主細胞直接相互作用），大腸桿菌突變體可誘導(dǎo)STING依賴性IFN-I反應(yīng)（圖3 A、B）。然而，在沒有細菌與宿主細胞直接接觸的情況下，細胞外細菌是如何能夠觸發(fā)STING-IFN-I軸的呢？過往的研究表明細菌能釋放小型脂雙層囊泡：MV，直徑20~250 nm（圖3 C）。MV可攜帶含有細菌成分的有效載荷，并可能穿過組織和細胞膜屏障。因此，研究者假設(shè)MV可能在通過細胞膜和組織傳遞細菌成分方面發(fā)揮作用，從而激活局部和遠端的STING通路。為了驗證這一假設(shè)，研究者純化了大腸桿菌中的MV，并檢查了它們在體內(nèi)激活免疫反應(yīng)的能力。大腸桿菌及其突變體的MV在形態(tài)上相似并且含有相當(dāng)含量的DNA（圖3 C、D）。在接種到腹膜腔后，來自大腸桿菌WT的MV在WT小鼠中誘導(dǎo)膿毒癥癥狀，兩者均引發(fā)了類似的Ifnb1反應(yīng)，且MV暴露導(dǎo)致HSV-1感染的BMDM中STING磷酸化增加（圖3 E-I）。此外，MV預(yù)處理使得小鼠對HSV-1感染具有更高的抗性（圖3 J、K）。

4.?細菌性MV將DNA遞送到宿主細胞中以啟動cGAS-STING-IFN-I軸

為了評估細菌性MV介導(dǎo)的IFN-I啟動是否可以在體內(nèi)賦予針對病毒感染的保護作用，研究者將大腸桿菌WT、突變體及其MV施用于小鼠。兩周后，在誘導(dǎo)的IFN-I反應(yīng)消退后，小鼠被HSV-1感染（圖4 A）。結(jié)果顯示活大腸桿菌或其MV顯著提高兩種小鼠模型對HSV-1的抗性（圖4 B-D）。這些數(shù)據(jù)表明，細胞外細菌通過STING啟動IFN-I系統(tǒng)，促進了小鼠對HSV-1的先天抗性。

瓊脂糖凝膠分析顯示MV中存在DNA（圖5 A、B），在用苯甲酶處理以剝離囊外DNA后，MV仍然能夠在小鼠和BMDM中誘導(dǎo)Ifnb1（圖 5C 和 5D）。這些結(jié)果表明，MV將DNA包裹在其內(nèi)部，以保護這些DNA免受細胞外核酸酶的影響，從而促進其遞送到宿主細胞中，進而導(dǎo)致STING激活。當(dāng)與細菌性MV一起孵育時，cGAS缺陷的HEK293細胞不會激活I(lǐng)NF-I反應(yīng)，除非cGAS的外源表達（圖 5 E、F），這表明MV介導(dǎo)的IFN-I啟動需要對細菌DNA感知的cGAS的參與。當(dāng)缺乏cGAS或/和STING的BMDM或B16黑色素瘤細胞在transwell中與細菌或MV一起孵育時，引起的Ifnb1反應(yīng)較低（圖5 G、H）。以上結(jié)果表明細胞外細菌激活cGAS-STING途徑，依賴于MV介導(dǎo)的細菌DNA向宿主細胞的傳遞（圖5 I）。

5. 腸道細菌來源的含有DNA的MV進入到血液循環(huán)并通過cGAS驅(qū)動全身性IFN-I啟動

從小鼠糞便和血液中分離MV并進行16S rDNA測序，結(jié)果顯示小鼠糞便和血液中含有載有細菌DNA的MV，主要來自厚壁菌門、擬桿菌門、變形菌門和放線菌門（圖6 A、B）。這些數(shù)據(jù)表明，腸道細菌群落可以釋放含有DNA的MV，同時存在于腸道和全身循環(huán)系統(tǒng)中。相較于對照小鼠，cGAS缺陷小鼠的IFN-I反應(yīng)降低，抗生素處理消除了這種差異，小鼠同居過程中腸道菌群自發(fā)重新定殖的對照小鼠的基礎(chǔ)IFN-I完全恢復(fù)，而cGAS缺陷小鼠IFN-I水平?jīng)]有變化（圖6 C），表明cGAS對于腸道菌群誘導(dǎo)的全身性IFN-I啟動至關(guān)重要。上述結(jié)果證明腸道菌群產(chǎn)生的含有DNA的MV能夠進入血液循環(huán)，解釋了菌群驅(qū)動的全身性cGAS-STING依賴性IFN-I的啟動，能夠抵御DNA病毒的感染（圖6 D）。

6. 通過cGAS-STING啟動菌群驅(qū)動的IFN-I可抵御RNA病毒

研究者進一步探索了cGAS-STING引發(fā)菌群驅(qū)動的IFN-I是否也可以提供針對RNA病毒的防護。當(dāng)感染VSV時，相較于對照小鼠，STING缺陷小鼠和cGAS缺陷小鼠產(chǎn)生較弱的IFN-I反應(yīng)且清除病毒的能力減弱，口服抗生素抵消了這種差異（圖7 A-G）。這些結(jié)果表明，盡管cGAS-STING作為DNA傳感器，但菌群驅(qū)動的通過STING引發(fā)的IFN-I啟動也賦予了宿主對RNA病毒的先天抗性。

小編小結(jié)

本文研究表明胞內(nèi)先天免疫DNA傳感器cGAS對于感知腸道菌群并自然抵抗病毒感染至關(guān)重要。這種由菌群驅(qū)動的抗病毒先天免疫啟動不需要宿主與細菌的直接接觸，而是涉及MV介導(dǎo)的細菌DNA向遠端宿主細胞的傳遞。這些發(fā)現(xiàn)強調(diào)了菌群在維持免疫系統(tǒng)對病毒的持續(xù)準備狀態(tài)中的重要性，并強調(diào)了在病毒感染期間無端使用抗生素的風(fēng)險被低估了。