肠道微生物组免疫调节高分辨率图谱：谁是肠道中的重磅T细胞？

肠道微生物群移植的最早记录可追溯到4世纪，当时中国医生葛洪使用从人类粪便中提取的“黄汤”来治疗腹泻和食物中毒。1965年，Schaedler及其同事开发了一种无菌小鼠模型，并将小鼠与肠道细菌共生，这一突破性方法为“黄汤”对宿主生理学的影响提供了证据，包括肥胖、自身免疫和对免疫疗法的反应。

然而，确定具体影响宿主的细菌一直是一个挑战，因为人类粪便通常包含数百种微生物，并且高度个体化。作为粪便移植的补充方法，研究人员使用单菌株定植（用单一细菌分离物定植动物），以识别特定的细菌作用机制。尽管单菌株定植可以识别能够调节免疫细胞的细菌菌株，但它忽略了一个菌株在与其他细菌种类共存时，例如在一个复杂的、原生规模的微生物群落中，会发挥不同功能的事实。

为了克服粪便移植和单菌株定植实验的不足，研究人员之前构建了一个人类肠道群落的合成模型。的目标是设计一个定义明确、可操作且足够复杂的肠道细菌群落，以捕捉原生规模群落的生理功能。根据美国国立卫生研究院（NIH）人类微生物组项目样本中物种流行度的排名顺序选择了100多种细菌菌株，以便肠道细菌群落代表人类肠道的标准细菌群落。这种复杂群落能够在小鼠肠道中稳定且可重复地定植，为研究肠道微生物组在体内功能提供了一个有希望的工具

数据显示，能够识别广泛保守抗原的T细胞受体（TCR）在遇到许多共享抗原的菌株时被有效刺激并被正向选择。因此，少量的“热门”T细胞为抵御人类肠道微生物群的多种菌株提供了预防性防御。TH，即辅助性T细胞。

作为新工作的起点，研究人员询问了一个复杂的细菌群落是否模仿了自然微生物组的功能。将无菌小鼠与97或112个成员的肠道细菌群落（分别为hCom1d和hCom2d）共生，并检查了免疫细胞的分化。hCom1d和hCom2d共生小鼠的免疫细胞群体表型与具有自然微生物组的特定病原体自由（SPF）小鼠相似。这一发现表明，复杂的定义群落可以用作模型系统，以研究肠道微生物组对免疫调节的作用。

以前的研究表明，肠道共生菌指导T细胞的分化，诱导的T细胞对共生菌具有抗原特异性。然而，这些概念仅由对特定共生菌如分节丝状细菌（SFB）和肝螺杆菌（H. hepaticus）的研究支持。迄今为止，肠道T细胞如何与生理上复杂的肠道微生物群相互作用仍然未知。为了回答这个问题，研究人员对肠道微生物群的每个细菌成员进行了T细胞反应的表征。从hCom1d共生小鼠中获得肠道T细胞，并与细菌群落中的每种菌株一起体外共培养T细胞，一次一种，使用树突状细胞（DCs）进行抗原呈递。共培养后，通过测量Nur77表达量来量化被激活的T细胞数量，这是T细胞受体（TCR）刺激的敏感标志。数据很有趣——被细菌菌株刺激的T细胞百分比明显高于预期，所有被刺激的T细胞的总和远远超过100%。这个结果与TCR对群落中某一菌株具有特异性的假设不一致。相反，这个结果表明，一个T细胞可以同时识别多个细菌菌株。

一个TCR对多个菌株的识别是违反直觉的，因为TCR应该识别细菌的特定抗原。为了确定分子机制，研究人员试图在单细胞分辨率下识别对微生物组有反应的TCR。我们结合了单细胞RNA测序（RNAseq）和TCR-seq，并分析了hCom1d和hCom2d共生小鼠的肠道T细胞。从单细胞数据中，我们根据两个标准预测了基于细菌特异性的TCR：TCR的扩增和T细胞中的基因表达模式。我们最终选择了92个TCR，并使用高通量协议构建了表达TCR的细胞系。为了确定TCR和细菌菌株之间的相互作用，我们使用DCs进行抗原呈递，将每个TCR细胞系与hCom1d和hCom2d中的个别菌株共培养。在运行了超过11,000个测定后，我们获得了TCR-菌株特异性数据，揭示了几乎所有测试的TCR都对群落中的多个菌株具有特异性。

一个TCR如何识别几种细菌菌株？假设多个细菌菌株表达一个保守的抗原，并被一个TCR靶向。专注于13种丰富的调节性T细胞（Tregs）和效应性辅助性T细胞17（TH17）的TCR，它们对18种厚壁菌门（Firmicutes）具有特异性，这是人类肠道微生物组中最常见的门之一。从选定的厚壁菌门的基因组中构建了一个鸟枪法表达文库，并将其筛选对13个TCR的反应。发现，厚壁菌门菌株共享一个T细胞的目标：一个ABC转运系统的保守底物结合蛋白（SBP）。令人惊讶的是，这种普通的细菌摄取糖营养所需的分子具有强烈的免疫原性。由于在微生物组中的保守性、在细胞外膜中的亚细胞定位以及其高表达等因素，SBP是肠道TCR库免疫监视的突出目标。为了概括这一发现，从另一种常见的肠道共生菌——拟杆菌（Bacteroides）的菌株中克隆了另一种保守的抗原，四肽重复脂蛋白（TPRL）。

自葛洪在4世纪的粪便移植以来，微生物组领域已经通过全面的努力转变，以编目不同身体部位的物种并将它们的丰度与疾病状态相关联。然而，将这些相关关系转化为机制理解的能力受到限制，因为缺乏将个别物种与特定宿主表型联系起来的工具。这项工作建立了一个研究微生物组免疫学机制的模型系统。系统有三个显著特点：（i）复杂的定义群落是可操作的，可以在其他成员的生理环境中测试每个菌株的功能；（ii）将个别共生菌与TCRs共培养，可以高分辨率地绘制免疫表型和细菌菌株；（iii）快速生成TCR细胞系识别TCR-抗原对，揭示分子水平的相互作用。

肠道微生物组由大量的微生物组成。对所有这些微生物的预防性保护对适应性免疫系统来说是一个挑战。一对多的TCR-细菌关系解释了少量TCR如何作为“热门”响应社区中许多共生菌，通过识别广泛保守的抗原。这个模型部分对应于针对HIV和严重急性呼吸综合征冠状病毒2（SARS-CoV2）的广泛中和抗体的特性。这种识别在分子水平上是特异性的，但由于它们的目标在微生物中广泛保守，因此提供了广泛的保护。这一发现为通过操纵微生物组特异性T细胞反应，将肠道免疫反应偏向耐受或炎症提供了治疗机会。

Blockbuster T cells in the gut: A high-resolution view of immune modulation by the gut microbiome is presented