腸道駐留病毒調(diào)控宿主免疫穩(wěn)態(tài)的研究進展

劉 蕾， 江 維

(中國科學技術(shù)大學 生命科學學院， 合肥 230031)

免疫穩(wěn)態(tài)是指機體免疫系統(tǒng)達到的一種平衡狀態(tài)，這種平衡既可以保證機體對有害入侵病原微生物的有效識別及免疫反應(yīng)的啟動，又可以對自身成分或共生微生物形成免疫耐受。免疫穩(wěn)態(tài)的失調(diào)(免疫反應(yīng)過強或過弱)會導致體內(nèi)平衡被打破，進而誘發(fā)疾病。例如，免疫反應(yīng)過強容易罹患自身免疫性疾病，而免疫反應(yīng)過弱則容易罹患感染性疾病和腫瘤[1]。腸道共生微生物主要由細菌、病毒以及真菌組成，它們從新生期開始出現(xiàn)，在幼年逐漸成熟并形成穩(wěn)定的微生物組成[2-3]。已有大量研究顯示，腸道共生菌具有多種生物學功能，它們不僅能夠幫助宿主獲取基本的營養(yǎng)物質(zhì)和能量，維持腸道屏障的完整性[4]，還能誘導多種淋巴細胞(例如T、B淋巴細胞)的發(fā)育分化成熟，維持免疫系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)[5-8]。此外，腸道共生菌還與一些炎癥性疾病，如肥胖、2型糖尿病、動脈粥樣硬化、克隆恩氏病以及潰瘍性腸炎等息息相關(guān)[9-14]。

近年來研究人員運用噬菌斑實驗、電鏡觀察、聚合酶鏈式反應(yīng)(PCR)以及宏基因組測序的方法，發(fā)現(xiàn)人和動物的腸道中不僅駐留有大量共生菌，同時還存在大量駐留病毒[15]。顯微鏡計數(shù)結(jié)果顯示，每克人類糞便中約含有108～109個病毒樣顆粒(Virus like particles，VLPs)[16]。隨著宏基因組測序技術(shù)的發(fā)展，研究發(fā)現(xiàn)人類和動物的腸道存在DNA病毒和RNA病毒基因組[13, 16-17]。根據(jù)病毒寄居類型，即細菌或真核細胞，病毒可分為原核生物病毒(即噬菌體)和真核生物病毒[17]。腸道中的噬菌體可直接影響宿主菌的組成[18]，也可被腸道中的模式識別受體直接識別，調(diào)控免疫細胞的功能[19]。相比腸道噬菌體，腸道真核病毒的數(shù)量較少且主要通過飲食攝入[20]。研究發(fā)現(xiàn)，與健康人群相比，腸道疾病患者糞便樣本中多種真核病毒豐度增加[21-22]，它們可被多種模式識別受體直接識別，調(diào)控機體免疫反應(yīng)。在炎性腸病、結(jié)腸癌以及2型糖尿病等疾病發(fā)生過程中，伴隨著腸道駐留病毒失調(diào)，提示腸道駐留病毒與共生菌類似，影響疾病的發(fā)生發(fā)展[22-26]。本文就腸道駐留病毒對機體免疫穩(wěn)態(tài)的影響及其調(diào)控機制作一綜述。

1 腸道駐留病毒概述

病毒在進入機體后通過快速的演化，維持其多樣性[27]。病毒不僅能潛伏于宿主細胞內(nèi)穩(wěn)定地進行復制，有的病毒還能將基因組整合到宿主染色體中或作為附加體，直到重新激活才變得具有傳染性，這種生活方式允許病毒復制、存活、逃避防御，且與機體保持共生關(guān)系[27]。早期，對于腸道駐留病毒的研究主要運用顯微觀察法和體外培養(yǎng)的方法[15]，由于99%的腸道共生菌都難以培養(yǎng)，這也導致很難將特定的腸道噬菌體進行體外分離培養(yǎng)[28]。熒光顯微鏡法可直接對病毒進行觀察和數(shù)量統(tǒng)計，它不依賴于病毒的體外培養(yǎng)，缺點是無法對病毒結(jié)構(gòu)進行觀察。與之相比，電鏡技術(shù)可更好地幫助研究人員觀察病毒結(jié)構(gòu)以及區(qū)分病毒類型[13, 29]。 2003年，人們首次使用鳥槍法檢測到人類腸道中約有1200種病毒[13]；隨著宏基因組測序技術(shù)的發(fā)展，Phan等發(fā)現(xiàn)野鼠糞便中存在大量真核DNA病毒和RNA病毒[30]；隨后，對鼩鼱、貓等糞便分析發(fā)現(xiàn)多種常見病毒甚至新型病毒的存在[12, 31-32]；而Zhang等研究顯示健康熊貓糞便中包含種類繁多的真核病毒且患病熊貓病毒組成改變，提示腸道駐留病毒影響熊貓身體健康[33]。腸道駐留病毒根據(jù)其宿主不同，可分為原核病毒和真核病毒(表1)。

原核病毒是專一性感染細菌的病毒，即噬菌體(phage)，它們是腸道駐留病毒的重要組成部分。研究表明人體腸道共生菌與噬菌體數(shù)量比例約為1∶1[17, 34]。按照裂解細菌的方式不同，這些噬菌體又分為溶原性噬菌體(溫和噬菌體)和溶菌性噬菌體(毒性噬菌體)。溶原性噬菌體可穩(wěn)定地插入到宿主染色體中，當受到外界環(huán)境應(yīng)激或營養(yǎng)刺激時，產(chǎn)生裂解菌體的噬菌體顆粒；溶菌性噬菌體則具有直接感染和裂解細菌的能力[35]。研究顯示人類和嚙齒動物腸道中的噬菌體主要為dsDNA有尾噬菌體目噬菌體(Caudovirales)，主要包括肌尾噬菌體科噬菌體(Myoviridae)、長尾噬菌體科噬菌體(Siphoviridae)、短尾科噬菌體(Podoviridae)以及ssDNA微小噬菌體科噬菌體(Microviridae)和絲狀噬菌體科噬菌體(Inoviridae)[16-17, 22]。

在人類、嚙齒動物以及貓科動物等腸道存在少量真核病毒，主要由ssRNA 病毒、dsRNA病毒、ssDNA病毒、dsDNA病毒以及逆轉(zhuǎn)錄病毒等組成[17, 30-31]。通過宏基因組分析，發(fā)現(xiàn)腸道中駐留的真核病毒主要包括：哺乳動物病毒，如圓環(huán)病毒科病毒(Circoviridae)、小雙節(jié)病毒科病毒(Picobirnaviridae)、小核糖核酸病毒(Piconaviridae)、星狀病毒(Astroviridae)、乳頭瘤病毒(Papillomaviridae)、逆轉(zhuǎn)錄病毒科病毒(Retroviridae)以及冠狀病毒(Coronaviridae)等；昆蟲病毒，如彩虹病毒科病毒(Iridoviridae)和多瘤病毒科病毒(Polydnaviridae)等；以及植物病毒，如矮化病毒科病毒(Nanoviridae)、聯(lián)體病毒科(Geminiviridae)和藻類DNA病毒科病毒(Phycodnaviridae)等[16, 30-32, 36]。其中哺乳動物病毒，如乳頭狀瘤病毒(Papillomaviruses)、皰疹病毒(Herpesviruses)和多瘤病毒(Polyomaviruses)等具有病原性，在感染過程中不能被免疫系統(tǒng)完全清除，甚至可潛伏于體內(nèi)，伴隨人體一生[37]。這些腸道駐留病毒與機體保持共生關(guān)系，對于機體健康的影響不容小覷。

表1腸道病毒種類以及核酸類型

Table 1 The species and types of gut viruses

2 腸道駐留病毒與機體免疫穩(wěn)態(tài)

雖然腸道駐留病毒廣泛存在于哺乳動物體內(nèi)，但其對機體的影響主要集中以小鼠為動物模型展開研究。腸道駐留病毒可通過多種方式對機體免疫穩(wěn)態(tài)產(chǎn)生積極或消極的影響。

2.1 腸道噬菌體對機體免疫穩(wěn)態(tài)的影響

腸道駐留病毒通過共生菌間接地影響機體穩(wěn)態(tài)。一方面，腸道噬菌體可將其基因插入到宿主菌的基因組，改變宿主菌多種基因的表達(例如抗生素特性基因、毒力因子基因以及代謝相關(guān)基因)[38]，從而影響菌群功能或組成間接地調(diào)控機體代謝以及免疫系統(tǒng)[39]。例如，STX噬菌體將產(chǎn)志賀毒素的Stx基因插入到非致病菌內(nèi)，使其具有致病性并引起產(chǎn)志賀毒素埃希氏菌感染[38, 40]。另一方面，噬菌體可在適當環(huán)境下通過擴增并直接裂解宿主菌影響腸道共生菌組成，從而調(diào)控機體穩(wěn)態(tài)。例如，人類腸道共生菌屎腸球菌(Enterococcusfaecalis)V583株一定營養(yǎng)條件下，可促進噬菌體φV1/7產(chǎn)生，該噬菌體通過感染并裂解其他類型的E.faecalis菌株，使得V583菌株在腸道菌群中占據(jù)優(yōu)勢生態(tài)位[18]。此外，研究顯示在人、小鼠等黏膜表面噬菌體荷載量遠高于周圍環(huán)境，利用T4噬菌體預處理T84、A549細胞可有效抑制大腸桿菌黏附[41]。進一步研究發(fā)現(xiàn)腸道噬菌體通過免疫球蛋白樣結(jié)構(gòu)域與黏蛋白O-聚糖殘基結(jié)合，提示腸道噬菌體可黏附于腸道黏液層，形成抗菌層，阻止病原細菌黏附與定植，從而減少腸上皮細胞死亡，維持宿主腸上皮層動態(tài)平衡[41]。

腸道噬菌體可直接被機體識別，影響機體免疫穩(wěn)態(tài)。最近的研究指出腸道乳酸桿菌噬菌體、大腸桿菌噬菌體和擬桿菌噬菌體及其噬菌體DNA可直接被機體樹突狀細胞上的TLR9識別，促進CD4+T細胞和CD8+T細胞擴增，并誘導CD4+T細胞產(chǎn)生IFNγ，進而加重DSS誘導的腸炎[19]。最后該研究發(fā)現(xiàn)對潰瘍性腸炎患者進行糞便微生物移植(FMT)治療，腸道有尾目噬菌體增加的受體者對FMT治療不敏感，說明腸道噬菌體不僅能直接加重腸道疾病的發(fā)生還能影響糞便微生物治療效果[19]。有研究報道灌喂大腸桿菌T4噬菌體后，在腸道中檢測到IgA以及血清中檢測到IgG抗體。T4噬菌體表達如gp23、gp24、Hoc、Soc以及gp12被機體識別，揭示噬菌體也可刺激機體產(chǎn)生適應(yīng)性免疫應(yīng)答[42]；隨后的研究發(fā)現(xiàn)，T4噬菌體表達黏附蛋白gp12能與LPS結(jié)合，從而減輕LPS誘導的炎癥[43]。

2.2 腸道真核病毒對機體免疫穩(wěn)態(tài)的影響

相比腸道噬菌體，腸道真核病毒數(shù)量較少，但有的真核病毒具有潛在致病性，如腺病毒、冠狀病毒、微小核糖核酸病毒科病毒以及星狀病毒等[21, 44]。當它們大量入侵機體時，被機體模式識別受體并引起抗病毒反應(yīng)的發(fā)生。參與識別病毒的模式識別受體主要有RIG-I樣受體、Toll樣受體、DNA感受器以及NOD樣受體[45-46]。腸道中的模式識別受體識別病毒后，通過接頭蛋白分子，活化下游的NF-κB、IRF3以及IRF7等多種轉(zhuǎn)錄因子，進而促進產(chǎn)生干擾素、促炎癥因子(如IL-1β、IL-18)以及趨化因子(如IL-8、CXCL10)的表達，啟動適應(yīng)性免疫反應(yīng)，有助于機體清除病毒。

腸道病毒感染也可能對機體免疫系統(tǒng)具有積極作用。早期研究發(fā)現(xiàn)，幼年時期反復的病毒感染可減輕TH2型免疫應(yīng)答反應(yīng)，從而減少過敏的發(fā)生[47]；隨后Kernbauer等研究顯示外源給予鼠諾如病毒可減少無菌小鼠腸道ILC2細胞數(shù)量，提示腸道駐留病毒也可能調(diào)控過敏反應(yīng)的發(fā)生[8]。該研究還發(fā)現(xiàn)鼠諾如病毒(Norovirus)可代替共生細菌刺激腸上皮細胞增殖，促進潘氏細胞產(chǎn)生溶菌酶和分泌顆粒并恢復無菌小鼠腸道免疫細胞數(shù)量，同時誘導IgA和IFNγ產(chǎn)生，進而保護腸道抵抗化學損傷和細菌感染[8]。此外，Barton等指出γHV68病毒(murinegammaherpesvirus68)或MCMV病毒(murineCytomegalovirus)潛伏期的小鼠在李斯特菌和鼠疫桿菌感染過程中，IFNγ產(chǎn)生以及巨噬細胞活化增強可顯著提高小鼠抗菌能力，提示潛伏期的病毒與宿主形成有利的共生關(guān)系[48]。最近Yang等發(fā)現(xiàn)腸道駐留病毒通過活化漿細胞樣樹突狀細胞上的模式識別受體TLR3和TLR7，促進IFN-α產(chǎn)生，同時減少傳統(tǒng)樹突狀細胞產(chǎn)生如IL-6、TNF-α等炎性因子，保護炎性腸炎的發(fā)生發(fā)展[49]。但具體是何種腸道駐留病毒被機體識別，參與保護腸炎的發(fā)生尚不清楚。

3 腸道駐留病毒紊亂與疾病相關(guān)性

3.1 腸道駐留病毒與糖尿病

腸道噬菌體作為影響腸道共生菌組成以及機體代謝的重要因素，與代謝性疾病的發(fā)生發(fā)展具有一定聯(lián)系。Yadav等發(fā)現(xiàn)肥胖小鼠腸道DNA病毒和RNA病毒核酸均顯著增加[14]；隨后，Ma等研究顯示腸道噬菌體數(shù)量在2型糖尿病患者中顯著增加，其中有7個噬菌體分類單元與二型糖尿病相關(guān)，該研究還指出腸道噬菌體與糖尿病患者腸道菌群改變存在復雜關(guān)系[26]。Zhao等通過分析1型糖尿病易感兒童樣本發(fā)現(xiàn)腸道環(huán)狀病毒和噬菌體豐度均顯著高于正常兒童，進一步分析發(fā)現(xiàn)這些疾病相關(guān)的噬菌體主要影響了腸道擬桿菌屬和雙歧桿菌屬細菌豐度，揭示腸道病毒組與人類自身免疫病密切相關(guān)[50]。探究腸道噬菌體對糖尿病的影響，為人們研究代謝性疾病提供了新視角，但腸道噬菌體是通過何種機制參與糖尿病的發(fā)生過程尚不清楚。

3.2 腸道駐留病毒與炎性腸病、腸炎以及腸癌

炎性腸病是一種慢性腸道炎性疾病，本病主要包括克隆恩氏病和潰瘍性腸炎。已有大量文章報道指出炎性腸病發(fā)生過程中，腸道Caudovirales噬菌體豐度明顯增加，腸道細菌種類減少[11, 22-23, 51]；最近，Zuo等通過宏基因組分析國內(nèi)潰瘍性腸病患者樣本發(fā)現(xiàn)，腸道Caudovirales噬菌體顯著增加，其物種多樣性降低，并伴隨著埃希氏噬菌體和腸桿菌噬菌體顯著增加[52]。腸道駐留病毒功能紊亂，導致腸道菌群結(jié)構(gòu)的改變，影響共生菌致病性以及抗生素耐藥性，提示腸道駐留病毒通過共生菌影響與潰瘍性腸炎發(fā)生[52]。研究人員利用CD4+CD45RBHighT細胞誘導結(jié)腸炎模擬炎性腸病的發(fā)生，研究顯示厚壁門菌噬菌體在腸炎發(fā)生過程中豐度顯著降低。與炎性腸病病人研究結(jié)果一致，T細胞誘導的腸炎也會導致Streptococci噬菌體豐度增加，提示Spounavirinae亞科噬菌體可能作為腸道相關(guān)疾病診斷的標志[22, 53]。此外，研究發(fā)現(xiàn)復發(fā)性艱難梭菌感染引起Caudovirales噬菌體豐度增加但其多樣性以及均勻度均顯著降低，并伴隨著微小噬菌體科噬菌體豐度降低。當患者通過接受健康人糞便移植治療后，可顯著地提高其體內(nèi)有尾目噬菌體和菌群多樣性，并且供體者有尾目噬菌體豐度與患者預后效果呈正相關(guān)[54]。

腸道真核病毒也被廣泛報道與腸道疾病的發(fā)生有一定關(guān)系，研究人員收集1010例急性腸炎樣本并對其進行了分析，結(jié)果顯示兒童病毒性腹瀉主要由輪狀病毒、諾如病毒、沙波病毒、星狀病毒以及腺病毒等感染引起[55]。還有研究揭示腸癌患者腸道駐留病毒豐度顯著高于健康人群，細菌種類卻顯著降低；并且在發(fā)病過程中，腸道噬菌體對不同種屬鏈球菌具有調(diào)節(jié)作用，而鏈球菌引發(fā)的心內(nèi)膜炎也被報道與結(jié)腸癌發(fā)生有關(guān)[24, 56- 57]。此外，研究還發(fā)現(xiàn)結(jié)腸癌患者腫瘤組織中HPV病毒呈陽性，提示HPV病毒可能影響結(jié)腸癌的發(fā)生發(fā)展進程[56, 58]。雖然已有大量文獻揭示在腸道相關(guān)疾病的發(fā)生過程中均伴隨著腸道駐留病毒組的改變，但是這一過程是誘導疾病發(fā)生的病因亦或者是結(jié)果以及其中具體機制均有待探究。

3.3 腸道駐留病毒與移植物抗宿主病

移植物抗宿主病是一種多系統(tǒng)疾病，其為造血干細胞移植的并發(fā)癥。有研究報道患者接受造血干細胞移植(HSCT)后，處于潛伏期的腸道DNA病毒(皰疹病毒科病毒以及腺病毒科病毒)被重新激活，提示腸道駐留病毒與移植物抗宿主排斥病(GVHD)有密切聯(lián)系[59-60]。隨后Legoff等通過分析44位接受造血干細胞移植患者的腸道病毒組發(fā)現(xiàn)，腸道DNA病毒(如指環(huán)病毒、皰疹病毒、乳頭瘤病毒以及多瘤病毒)檢出率以及數(shù)量顯著增加并伴隨著腸道噬菌體豐度降低[61]。其中18位患者檢測到小雙節(jié)RNA病毒(Picobirnaviruses)，該病毒在移植治療前或治療后一周內(nèi)檢出率高于移植治療后期。Picobirnaviruses病毒檢出率與GVHD疾病標志物(鈣網(wǎng)蛋白及α1-抗胰蛋白酶)呈正相關(guān)，提示Picobirnaviruses病毒檢測可用于早期移植物抗宿主病的診斷[61]。

雖然研究者不斷發(fā)現(xiàn)，在腸道駐留病毒與機體多種疾病發(fā)生發(fā)展過程中，均伴隨著腸道駐留病毒失調(diào)，但其中具體機制尚有待探究。明確疾病發(fā)生過程中腸道駐留病毒組的變化對疾病診斷和治療有著重要意義。

3.4 駐留病毒與腸道免疫

在機體穩(wěn)態(tài)的情況下，腸腔中的噬菌體可形成噬菌體層，防止共生菌入侵腸道；此外，腸道駐留病毒還能被腸道漿細胞樣樹突狀細胞識別，促進抗病毒信號通路的活化產(chǎn)生IFNα，維持機體固有免疫應(yīng)答；也有報道指出，樹突狀細胞識別腸道噬菌體后可促進CD4+T細胞和CD8+T細胞的增殖以及IFNγ產(chǎn)生。當穩(wěn)態(tài)破壞時，腸道中的有尾目噬菌體豐度增加而微小噬菌體科噬菌體減少，并伴隨著腸道菌群結(jié)構(gòu)改變，腸道駐留病毒可通過直接或間接的方式影響腸道炎癥的發(fā)生。一方面，腸道樹突狀細胞識別噬菌體刺激T細胞產(chǎn)生大量IFNγ；另一方面，腸道傳統(tǒng)樹突狀細胞識別腸道共生菌可產(chǎn)生大量IL-6和TNF-α，這些過量產(chǎn)生的炎性因子均可能加重腸炎的發(fā)生(見圖1)。

圖1 駐留病毒與腸道免疫

4 總結(jié)與展望

腸道駐留病毒作為共生微生物的重要組成部分，數(shù)量豐富，種類繁多。它們對宿主的影響日益受到關(guān)注。研究顯示，在腸道穩(wěn)態(tài)的情況下，噬菌體可能在腸道形成噬菌體層，防止共生菌入侵腸道；此外，腸道駐留病毒還能被機體識別，進而調(diào)控基因表達以及抗病毒信號通路活化，維持適應(yīng)性免疫和固有免疫的應(yīng)答。當穩(wěn)態(tài)破壞時，腸道中有尾目噬菌體豐度增加，腸道菌群結(jié)構(gòu)改變，并伴隨著機體免疫應(yīng)答和信號通路活化失調(diào)(圖1)。已有大量研究指出，炎性腸病、糖尿病等多種人類重大疾病的發(fā)生發(fā)展過程中，均伴隨著腸道駐留病毒組成紊亂。然而其維持機體免疫穩(wěn)態(tài)及調(diào)控疾病進程機制尚有待研究。探究腸道駐留病毒影響機體免疫穩(wěn)態(tài)的作用和機制，明確某些特定種類病毒在上述疾病發(fā)生中的變化，可以為相關(guān)疾病的診斷和治療提供靶點，具有良好的應(yīng)用前景。