菌群对于免疫稳态至关重要，并为细菌和真菌病原体提供竞争屏障，然而我们对肠道菌群如何调节全身免疫和对病*感染的反应仍然知之甚少。年5月来自瑞典Umea大学的NelsonO.Gekara团队在Immunity（IF31.）上发表题为“ThegutmicrobiotaprimessystemicantiviralimmunityviathecGAS-STING-IFN-Iaxis”的文章，通过一系列先天免疫途径缺陷小鼠模型和体外细胞培养实验，结合16SrDNA和转录组高通量测序发现肠道菌群通过激活机体的胞质cGAS-STING信号通路维持机体静息状态下基础水平系统性I型干扰素（IFN-I）的产生，这对机体抵抗病*感染具有重要作用。这种菌群引起的cGAS-STING-IFN-I激活不依赖于细胞表面定位的Toll样受体（TLR）信号传导或宿主-细菌间直接相互作用，而是通过细菌来源的膜囊泡（Membranevesicles，MV）将细菌DNA递送到远端宿主细胞中，并以cGAS依赖性方式促进DNA和RNA病*的清除，从而促进宿主对全身性病*感染的抵抗力。
研究材料
不同先天性免疫途径缺陷的C57BL/6小鼠（图2C）、6种细胞系、E.coli及其突变体、I型单纯疱疹病*（HSV-1，DNA病*）和水泡性口炎病*（VSV，RNA病*）
技术路线
步骤1：用抗生素耗竭小鼠肠道菌群，导致IFN-I反应的基础水平降低，削弱抗病*免疫；
步骤2：不同先天性免疫途径缺陷小鼠模型实验证实菌群驱动的IFN-I活化，依赖于宿主细胞中检测胞质DNA的cGAS-STING先天免疫通路的活化，而不是通过TLR信号或与宿主细胞的直接接触；
步骤3：体外、体内实验表明，在机制上：细菌产生的膜囊泡（MV）将细菌DNA输送到远端的宿主细胞中，从而激活cGAS-STING-IFN-I轴；
步骤4：小鼠模型实验证实肠道菌群释放的含细菌DNA的MV可进入血液，通过cGAS-STING-IFN-I轴促进宿主对DNA和RNA病*的清除。
研究结果
1.肠道菌群对于先天抵抗病*感染至关重要
为了研究抗生素使用肠道菌群及病*感染结果的影响，通过口服混合抗生素处理小鼠。2周后，对粪便细菌的16SrDNA测序和qPCR定量结果表明，抗生素处理小鼠的肠道细菌群落显著减少（图1A-C）。当通过鼻内或腹膜内途径分别用HSV-1诱导局部肺部或全身感染时，口服抗生素小鼠中HSV-1复制更高且临床症状更严重（图1D-H）。这些结果表明共生肠道细菌有助于全身抵抗病*感染和保护远端器官。
图1肠道菌群对于抗病*先天免疫至关重要
2.肠道菌群通过STING驱动全身性IFN-I启动
基础IFN-Is对病*感染的先天抗性至关重要。为了评估抗生素治疗后病*复制增强是否是由于共生细菌对IFN-I引发的可能影响，研究者检测了Ifnb1荧光素酶报告基因小鼠的基础IFN-I水平。口服抗生素导致全身基础Ifnb1水平降低（图2A）。小鼠组织的RNA-Seq测序数据表明，口服抗生素小鼠中，干扰素刺激基因ISG和促炎细胞因子的表达降低（图2B）。这些数据表明，肠道菌群对先天免疫启动至关重要，赋予宿主病*感染抵抗力。
为了剖析哪些先天免疫通路有助于菌群驱动的IFN-I启动，研究者分析了缺乏不同先天免疫通路受体的Ifnb1荧光素酶报告小鼠（图2C、D）。结果显示TLR通路存在缺陷小鼠的基础IFN-I反应没有显著变化（图2E、F），这意味着全身性IFN-I启动在很大程度上与TLR无关。而STING（细胞质cGAS信号接头蛋白）通路存在缺陷的小鼠基础Ifnb1水平显著降低（图G-I），证明胞内核酸传感器对全身性IFN-I启动至关重要。
口服抗生素消除了WT和STING缺陷小鼠之间的IFN-I反应差异，而粪菌移植则可恢复WT小鼠中的Ifnb1反应（图2J、K）。表明通过STING驱动全身性IFN-I启动反应由肠道共生细菌引发。此外，研究者观察到口服抗生素小鼠的STING蛋白水平没有下降（图2L），这意味着观察到的基础IFN-I反应下降不是由于STING的丧失。
图2肠道菌群引发的IFN-I涉及胞内STING途径
3.细菌性MV启动STING-IFN-I轴以促进抗病*先天免疫
当在transwell系统中与BMDM细胞共孵育时（防止细菌与宿主细胞直接相互作用），大肠杆菌突变体可诱导STING依赖性IFN-I反应（图3A、B）。然而，在没有细菌与宿主细胞直接接触的情况下，细胞外细菌是如何能够触发STING-IFN-I轴的呢？过往的研究表明细菌能释放小型脂双层囊泡：MV，直径20~nm（图3C）。MV可携带含有细菌成分的有效载荷，并可能穿过组织和细胞膜屏障。因此，研究者假设MV可能在通过细胞膜和组织传递细菌成分方面发挥作用，从而激活局部和远端的STING通路。为了验证这一假设，研究者纯化了大肠杆菌中的MV，并检查了它们在体内激活免疫反应的能力。大肠杆菌及其突变体的MV在形态上相似并且含有相当含量的DNA（图3C、D）。在接种到腹膜腔后，来自大肠杆菌WT的MV在WT小鼠中诱导脓*症症状，两者均引发了类似的Ifnb1反应，且MV暴露导致HSV-1感染的BMDM中STING磷酸化增加（图3E-I）。此外，MV预处理使得小鼠对HSV-1感染具有更高的抗性（图3J、K）。
图3专性细胞外细菌性MV启动STING-IFN-I轴以防止病*感染
4.细菌性MV将DNA递送到宿主细胞中以启动cGAS-STING-IFN-I轴
为了评估细菌性MV介导的IFN-I启动是否可以在体内赋予针对病*感染的保护作用，研究者将大肠杆菌WT、突变体及其MV施用于小鼠。两周后，在诱导的IFN-I反应消退后，小鼠被HSV-1感染（图4A）。结果显示活大肠杆菌或其MV显著提高两种小鼠模型对HSV-1的抗性（图4B-D）。这些数据表明，细胞外细菌通过STING启动IFN-I系统，促进了小鼠对HSV-1的先天抗性。
图4细菌性MV启动STING-IFN-I轴以促进抗病*免疫
琼脂糖凝胶分析显示MV中存在DNA（图5A、B），在用苯甲酶处理以剥离囊外DNA后，MV仍然能够在小鼠和BMDM中诱导Ifnb1（图5C和5D）。这些结果表明，MV将DNA包裹在其内部，以保护这些DNA免受细胞外核酸酶的影响，从而促进其递送到宿主细胞中，进而导致STING激活。当与细菌性MV一起孵育时，cGAS缺陷的HEK细胞不会激活INF-I反应，除非cGAS的外源表达（图5E、F），这表明MV介导的IFN-I启动需要对细菌DNA感知的cGAS的参与。当缺乏cGAS或/和STING的BMDM或B16黑色素瘤细胞在transwell中与细菌或MV一起孵育时，引起的Ifnb1反应较低（图5G、H）。以上结果表明细胞外细菌激活cGAS-STING途径，依赖于MV介导的细菌DNA向宿主细胞的传递（图5I）。
图5细菌性MV包裹DNA并将其递送到宿主细胞质中以激活cGAS-STING-IFN-I信号传导
5.肠道细菌来源的含有DNA的MV进入到血液循环并通过cGAS驱动全身性IFN-I启动
从小鼠粪便和血液中分离MV并进行16SrDNA测序，结果显示小鼠粪便和血液中含有载有细菌DNA的MV，主要来自厚壁菌门、拟杆菌门、变形菌门和放线菌门（图6A、B）。这些数据表明，肠道细菌群落可以释放含有DNA的MV，同时存在于肠道和全身循环系统中。相较于对照小鼠，cGAS缺陷小鼠的IFN-I反应降低，抗生素处理消除了这种差异，小鼠同居过程中肠道菌群自发重新定殖的对照小鼠的基础IFN-I完全恢复，而cGAS缺陷小鼠IFN-I水平没有变化（图6C），表明cGAS对于肠道菌群诱导的全身性IFN-I启动至关重要。上述结果证明肠道菌群产生的含有DNA的MV能够进入血液循环，解释了菌群驱动的全身性cGAS-STING依赖性IFN-I的启动，能够抵御DNA病*的感染（图6D）。
图6肠道细菌将含有DNA的MV释放到血液中并通过cGAS驱动全身性IFN-I启动
6.通过cGAS-STING启动菌群驱动的IFN-I可抵御RNA病*
研究者进一步探索了cGAS-STING引发菌群驱动的IFN-I是否也可以提供针对RNA病*的防护。当感染VSV时，相较于对照小鼠，STING缺陷小鼠和cGAS缺陷小鼠产生较弱的IFN-I反应且清除病*的能力减弱，口服抗生素抵消了这种差异（图7A-G）。这些结果表明，尽管cGAS-STING作为DNA传感器，但菌群驱动的通过STING引发的IFN-I启动也赋予了宿主对RNA病*的先天抗性。
图7通过cGAS-STING引发菌群驱动的IFN-I促进对RNA病*VSV的抗性
小编小结
本文研究表明胞内先天免疫DNA传感器cGAS对于感知肠道菌群并自然抵抗病*感染至关重要。这种由菌群驱动的抗病*先天免疫启动不需要宿主与细菌的直接接触，而是涉及MV介导的细菌DNA向远端宿主细胞的传递。这些发现强调了菌群在维持免疫系统对病*的持续准备状态中的重要性，并强调了在病*感染期间无端使用抗生素的风险被低估了。