微生物群调节先天免疫信号和针对癌症的保护性免疫

Microbiota regulate innate immune signaling and protective immunity against cancer.

作者信息Changsheng Xing, Mingjun Wang, Adebusola A Ajibade, Peng Tan, Chuntang Fu, Lang Chen, Motao Zhu, Zhao-Zhe Hao, Junjun Chu, Xiao Yu, Bingnan Yin, Jiahui Zhu, Wan-Jou Shen, Tianhao Duan, Helen Y Wang, Rong-Fu Wang
PMID33894128
发布时间2021-06-09
DOI10.1016/j.chom.2021.03.016

实验完整度

研究包含多个独立证据层级:体外细胞刺激实验、多种基因敲除小鼠模型、粪便菌群移植、16S rRNA和宏基因组测序、体内DSS/AOM-DSS模型,并进行了功能验证和机制验证。

主要模型

Tak1∆M/∆M小鼠(髓系特异性TAK1敲除) C57BL/6野生型小鼠 DSS诱导的急性结肠炎小鼠模型 AOM/DSS诱导的结肠癌小鼠模型

重点核对

髓系细胞特异性TAK1缺失(Lyz2-Cre) DSS浓度和给药方案(5% DSS饮水5天) 抗生素混合物处理清除菌群(4周) 粪菌移植或单菌株灌胃(每周一次,共4周) 关键基因敲除(Il1r1−/−, Il6−/−, Rag1−/−, Rorc−/−, Il17ra−/−)

摘要

Microbiota play critical roles in regulating colitis and colorectal cancer (CRC). However, it is unclear how the microbiota generate protective immunity against these disease states. Here, we find that loss of the innate and adaptive immune signaling molecule, TAK1, in myeloid cells (Tak1ΔM/ΔM) yields complete resistance to chemical-induced colitis and CRC through microbiome alterations that drive protective immunity. Tak1ΔM/ΔM mice exhibit altered microbiota that are critical for resistance, with antibiotic-mediated disruption ablating protection and Tak1ΔM/ΔM microbiota transfer conferring protection against colitis or CRC. The altered microbiota of Tak1ΔM/ΔM mice promote IL-1β and IL-6 signaling pathways, which are required for induction of protective intestinal Th17 cells and resistance. Specifically, Odoribacter splanchnicus is abundant in Tak1ΔM/ΔM mice and sufficient to induce intestinal Th17 cell development and confer resistance against colitis and CRC in wild-type mice. These findings identify specific microbiota strains and immune mechanisms that protect against colitis and CRC.

实验结论

提炼研究问题、关键发现与证据,快速把握文章的核心贡献。

研究问题
肠道微生物群如何通过先天免疫信号产生针对结肠炎和结肠癌的保护性免疫?
核心机制
Tak1∆M/∆M小鼠的菌群改变促进IL-1β和IL-6信号通路,诱导肠道Th17细胞扩增,从而介导保护性免疫。
主要证据
多种基因敲除和DSS/AOM-DSS模型显示,菌群转移和Th17细胞过继可传递保护;Odoribacter splanchnicus单菌株接种可诱导Th17并抵抗结肠炎和CRC。
研究意义
该研究确定了保护性菌株和免疫机制,为结肠炎和结肠癌的防治提供了潜在靶点。

研究路径

按研究推进顺序梳理实验设计、验证步骤与关键观察。

1

构建髓系特异性TAK1敲除小鼠并验证其抗结肠炎/CRC表型

验证TAK1在髓系细胞中的缺失是否影响炎症和肿瘤发生

将Tak1flox/flox小鼠与Lyz2-Cre小鼠杂交获得Tak1∆M/∆M小鼠,并用5% DSS诱导急性结肠炎,用AOM/DSS诱导结肠癌,评估体重、存活、肿瘤数量和组织病理。

2

评估菌群改变及其必要性

确定菌群是否介导Tak1∆M/∆M小鼠的保护作用

用抗生素清除菌群后评估表型变化;通过16S rRNA测序比较WT和Tak1∆M/∆M小鼠菌群组成;进行同笼饲养和粪菌移植实验。

3

检测先天免疫信号通路(IL-1β/IL-6)的作用

验证IL-1R1和IL-6信号是否是保护所必需

将Tak1∆M/∆M小鼠与Il1r1−/−或Il6−/−杂交获得双敲除小鼠,评估DSS/AOM-DSS下的表型;并检测血清和肠道细胞因子水平。

4

验证Th17细胞在保护中的作用

确定Th17细胞是否介导保护性免疫

通过流式细胞术检测肠道Th17细胞比例;生成Tak1∆M/∆M;Rag1−/−和Tak1∆M/∆M;Rorc−/−小鼠,以及Th17过继转移实验,评估DSS/AOM-DSS下的表型。

5

鉴定保护性菌株(O. splanchnicus)

从菌群中鉴定具有保护功能的单一菌株

通过宏基因组测序和氨苄西林处理筛选候选菌株,并用单菌株移植验证其对DSS/AOM-DSS的保护作用及其对Th17的诱导。

6

体外细胞刺激实验验证菌株诱导细胞因子

探究菌株刺激免疫细胞产生细胞因子的机制

分离腹膜巨噬细胞、中性粒细胞和脾细胞,用热灭活菌株刺激,检测IL-1β、IL-6和IL-17A等细胞因子。

研究方法

按研究目的归类文中使用的方法,便于定位所需技术。

产品清单

实验环节名称品牌货号
葡聚糖硫酸钠MP Biomedicals02160110
氧化偶氮甲烷Sigma-AldrichA5486
氨苄西林Thermo FisherBP1760-25
新霉素Thermo FisherBP266925
甲硝唑Thermo FisherICN15571025
万古霉素Thermo FisherBP29581
Percoll离心介质GE Healthcare17089101
IV型胶原酶Sigma-AldrichC5138
阿尔辛蓝/PAS染色试剂盒Newcomer Supply91022A
Dynabeads未接触小鼠CD4细胞试剂盒Thermo Fisher11415D
QIAamp快速粪便DNA小提试剂盒QIAGEN51604
固定/破膜溶液试剂盒BD Biosciences554715
DAB过氧化物酶(HRP)底物试剂盒Vector LaboratoriesSK-4100
小鼠IL-22未包被ELISA试剂盒Thermo Fisher88-7422-88

关键环节

汇总复现实验时建议重点确认的条件及原文阅读提示。

环节核对要点
动物模型
小鼠品系、周龄、性别、饲养条件
阅读提示:STAR Methods中的Animals and In Vivo Procedures
DSS诱导结肠炎
DSS浓度(5%)、分子量(36-50 kDa)、处理时间(5天)
阅读提示:STAR Methods中的Animals and In Vivo Procedures
AOM/DSS诱导结肠癌
AOM剂量(10 mg/kg)、DSS浓度(2%)、处理周期(第5-10、24-29、43-48天)、终点(第80天)
阅读提示:STAR Methods中的Animals and In Vivo Procedures
抗生素处理
抗生素组合(氨苄西林1mg/ml、新霉素1mg/ml、甲硝唑1mg/ml、万古霉素0.5mg/ml)、处理时间(4周)
阅读提示:STAR Methods中的Animals and In Vivo Procedures
粪菌移植
菌液制备、灌胃剂量(0.2ml/鼠)、频率(每周一次,共4周)
阅读提示:STAR Methods中的Animals and In Vivo Procedures
单菌株移植
细菌培养、浓度(5×10^8 CFU/鼠)、灌胃频率
阅读提示:STAR Methods中的Animals and In Vivo Procedures
流式细胞术
细胞制备、抗体克隆号、染色方案
阅读提示:STAR Methods中的Flow Cytometry and Sorting
16S rRNA测序
引物(515F-806R)、测序平台(Illumina MiSeq)、数据分析方法
阅读提示:STAR Methods中的16S rRNA gene sequencing
宏基因组测序
分析流程、数据库、差异物种筛选标准(fold change >1.5 为增加,<0.5 为减少)
阅读提示:STAR Methods中的Whole shotgun metagenomic sequencing analysis