Nature：揭示一个独特的肠道上皮细胞亚群在防御致命腹泻感染中的关键作用

肠上皮细胞（intestinal epithelial cell, IEC）排列在肠道内壁上，形成了一道屏障，防止肠道致病性大肠杆菌等危险细菌附着并破坏这道屏障。这类病原体对人类健康构成重大威胁，包括婴儿因腹泻死亡，尤其是在发展中国家。

在一项新的研究中，来自美国阿拉巴马大学伯明翰分校的Casey Weaver研究团队的Carlene Zindl博士和 C. Garrett Wilson及其同事们描述了一个新发现的吸收性肠上皮细胞亚群。在鼠柠檬酸杆菌（Citrobacter rodentium）诱导的肠道感染小鼠模型中，该亚群既是主要靶点，也是关键应答者。这一发现使人们对吸收性肠上皮细胞和 T 细胞如何共同保护肠道屏障有了新的认识。相关研究结果近期发表在Nature期刊上，论文标题为“Distal colonocytes targeted by C. rodentium recruit T-cell help for barrier defence”。

这项研究基于 Zindl 和 Weaver 于 2022 年发表在Immunity期刊上的一项研究（Immunity, 2022, doi:10.1016/j.immuni.2022.02.003），它表明，在鼠柠檬酸杆菌感染的早期阶段，先天性淋巴细胞（innate lymphoid cell, ILC）发出的白细胞介素-22（IL-22）信号，以及在鼠柠檬酸杆菌感染的晚期阶段，CD4 T 细胞发出的IL-22信号，在保卫肠道屏障的过程中发挥着截然不同且不可或缺的作用。保护结肠隐窝免受鼠柠檬酸杆菌入侵并确保小鼠存活，需要来自 CD4 T 细胞的IL-22 介导的信号传导。

这项新的研究解释了CD4 T细胞如何通过与这个新发现的吸收性IEC亚群的相互作用来维持延长的白介素-22信号。它进一步发现，除了来自ILC细胞的早期IL-22和来自CD4 T细胞的晚期IL-22之外，这种IEC细胞反应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以抵抗病原体的入侵的新发现和关键部分。

Zindl 说，“在这项新的研究中，我们确定了吸收性 IEC细胞的一个亚群，该亚群在区域上局限于鼠柠檬酸杆菌靶向入侵的中段结肠，这就解释了这种病原体对这一组织部位的偏好性。我们发现，IL-22 信号在这一细胞群体中触发了一种独特的基因表达程序，不同于大肠和小肠近端传统吸收性 IEC细胞的基因表达程序。我们进一步确定了IEC细胞的抗原呈递在T细胞中诱导最佳IL-22信号的关键作用。”

小鼠和人类的结肠都有表面 IEC细胞，它们面向结肠管腔，排列在众多结肠隐窝的口部——人类约有 990 万个结肠隐窝。这些隐窝有微小的凹陷，形状像厚壁试管；每个隐窝底部都有干细胞，这些干细胞不断产生新的 IEC细胞，从而构建出一个从隐窝基部向结肠管腔内延伸的成熟细胞的扶梯。IEC细胞的寿命只有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段，导致结肠隐窝迅速伸长，这是感染的标志，被认为是为了保护肠道干细胞，使它们与结肠管腔表面上的这种病原体保持距离，并加速携带这种病原体的IEC细胞的脱落

在这项新的研究中，通过对未感染小鼠中段结肠的IEC细胞进行单细胞RNA测序，这些作者发现了吸收性IEC细胞的两个谱系亚群，这两个亚群是通过50个不同基因的差异性基因表达谱确定的。这两个亚群被称为远端结肠细胞（distal colonocyte, DCC）和近端结肠细胞（proximal colonocyte, PCC）。每个亚群都有特定的细胞标志物：DCC的细胞标志物为 Ly6g，PCC的细胞标志物为 Fabp2。

此外，对来自鼠柠檬酸杆菌感染小鼠中段结肠的 IEC细胞进行的单细胞 RNA 序列分析表明，DCC而不是 PCC是鼠柠檬酸杆菌感染的主要反应者。DCC的前体细胞经历了相当大的扩增，DCC谱系经历了快速成熟和细胞命运改变，成为病原体诱导后的高活性结肠细胞，有助于宿主防御，包括 IL-22 和干扰素γ诱导的宿主防御基因。

Zindl 及其同事们利用不同的细胞标志物发现，DCC只存在于结肠远端，在结肠中部则与 PCC混杂在一起。相比之下，PCC主要分布在近端结肠和小肠的回肠末端。这就是将这两个谱系命名为DCC和PCC的依据。

这些作者进一步发现鼠柠檬酸杆菌优先与结肠管腔表面的 DCC 结合，而不是与 PCC 结合，这就解释了为什么这种病原体的定植仅限于小鼠的结肠中段。他们还发现，在这两个亚群之间，宿主对IL-22的防御反应出现了分层。Zindl和Weaver之前报告的依赖于源自T细胞的IL-22的许多基因在DCC中上调，包括抗菌肽和中性粒细胞招募趋化因子。相反，IL-22 诱导的凝集素家族抗菌肽基因的上调是 PCC 特有的。

图片来自Nature, 2024, doi:10.1038/s41586-024-07288-1

除了激活DCC以增强抗菌防御外，还需要CD4 T细胞将IL-22输送到DCC，以加速在结肠管腔表面清除和替换含有鼠柠檬酸杆菌的结肠细胞，从而加快这种病原体的清除。Weaver说，这代表了一种新的机制：通过IL-22向DCC发出信号，可以抵消鼠柠檬酸杆菌部署的效应机制，从而保留它们所结合的受感染的DCC。

在典型的适应性免疫反应中，T 细胞被树突细胞激活。树突细胞在感染部位（如结肠）捕获病原体，然后迁移到淋巴结，通过树突细胞表面上的主要组织相容性分子（MHC）向 T 细胞呈递病原体抗原。这种呈递是通过细胞间的直接接触进行的。

鼠柠檬酸杆菌将自身锚定在宿主的 IEC 上，并在 IEC 内注入它们自身的蛋白，以帮助它们存活更长时间。众所周知，在感染后期，当 CD4 T 细胞到达结肠中段时，IEC细胞会表达 MHC-II分子，但目前还不清楚IEC细胞是否能呈递鼠柠檬酸杆菌抗原，以便直接招募 CD4 T 细胞来协助。

为了验证这一点，Weaver 团队设计了一种新的鼠柠檬酸杆菌菌株，这种菌株携带一种这些特定 T 细胞可以识别的分子。他们发现，结肠 IEC细胞依赖于MHC-II的抗原呈递鼠柠檬酸杆菌抗原确实需要 T 辅助细胞 17（Th17）和 T 辅助细胞 22（Th22）的帮助，以抵御鼠柠檬酸杆菌。

Wilson说，“我们的发现解决了鼠柠檬酸杆菌定植遭受区域限制这一长期存在的难题，并揭示了T细胞在保护这种肠道屏障中发挥不可或缺作用的基础，即T细胞通过肠上皮的非经典抗原呈递在局部激活，以维持IL-22向IEC细胞的高幅度信号传导，因为IEC细胞在应对感染时发生了发育上的转变。我们确定了鼠柠檬酸杆菌靶向的特定吸收性细胞类型，这将有助于进行比较研究，以确定附着性和消失性肠道病原体的物种特异性和细胞特异性趋向性的基础。除了对上皮细胞的MHC-II加工和呈递机制在宿主防御中的重要性提供新的见解外，我们的发现还为协调免疫相互作用打开了一扇窗，通过这种协调的相互作用，附着性和消失性肠道病原体受到限制，并确定了一种新的可以与T细胞交谈的吸收性肠细胞亚群。”（生物谷Bioon.com）

参考资料：

Carlene L. Zindl et al. Distal colonocytes targeted by C. rodentium recruit T-cell help for barrier defence. Nature, 2024, doi:10.1038/s41586-024-07288-1.

Key role found for gut epithelial cells and their expression of MHCII in the defense against deadly diarrheal infections
https://www.uab.edu/news/research/item/14101-key-role-found-for-gut-epithelial-cells-and-their-expression-of-mhcii-in-the-defense-against-deadly-diarrheal-infections