菌群對于免疫穩(wěn)態(tài)至關重要，并為細菌和真菌病原體提供競爭屏障，然而我們對腸道菌群如何調節(jié)全身免疫和對病毒感染的反應仍然知之甚少。2022年5月來自瑞典Umea?大學的Nelson O. Gekara團隊在Immunity（IF 31.745）上發(fā)表題為“The gut microbiota primes systemic antiviral immunity via the cGAS-STING-IFN-I axis”的文章，通過一系列先天免疫途徑缺陷小鼠模型和體外細胞培養(yǎng)實驗，結合16S rDNA和轉錄組高通量測序發(fā)現腸道菌群通過激活機體的胞質cGAS-STING信號通路維持機體靜息狀態(tài)下基礎水平系統(tǒng)性I型干擾素（IFN-I）的產生，這對機體抵抗病毒感染具有重要作用。這種菌群引起的cGAS-STING-IFN-I激活不依賴于細胞表面定位的Toll樣受體（TLR）信號傳導或宿主-細菌間直接相互作用，而是通過細菌來源的膜囊泡（Membrane vesicles，MV）將細菌DNA遞送到遠端宿主細胞中，并以cGAS依賴性方式促進DNA和RNA病毒的清除，從而促進宿主對全身性病毒感染的抵抗力。

研究材料

不同先天性免疫途徑缺陷的C57BL/6小鼠（圖2C）、6種細胞系、E. coli及其突變體、I型單純皰疹病毒（HSV-1，DNA病毒）和水泡性口炎病毒（VSV，RNA病毒）

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?技術路線

步驟1：用抗生素耗竭小鼠腸道菌群，導致IFN-I反應的基礎水平降低，削弱抗病毒免疫；

步驟2：不同先天性免疫途徑缺陷小鼠模型實驗證實菌群驅動的IFN-I活化，依賴于宿主細胞中檢測胞質DNA的cGAS-STING先天免疫通路的活化，而不是通過TLR信號或與宿主細胞的直接接觸；

步驟3：體外、體內實驗表明，在機制上：細菌產生的膜囊泡（MV）將細菌DNA輸送到遠端的宿主細胞中，從而激活cGAS-STING-IFN-I軸；

步驟4：小鼠模型實驗證實腸道菌群釋放的含細菌DNA的MV可進入血液，通過cGAS-STING-IFN-I軸促進宿主對DNA和RNA病毒的清除。

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?研究結果

1. 腸道菌群對于先天抵抗病毒感染至關重要

為了研究抗生素使用腸道菌群及病毒感染結果的影響，通過口服混合抗生素處理小鼠。2周后，對糞便細菌的16S rDNA測序和qPCR定量結果表明，抗生素處理小鼠的腸道細菌群落顯著減少（圖1 A-C）。當通過鼻內或腹膜內途徑分別用HSV-1誘導局部肺部或全身感染時，口服抗生素小鼠中HSV-1復制更高且臨床癥狀更嚴重（圖1 D-H）。這些結果表明共生腸道細菌有助于全身抵抗病毒感染和保護遠端器官。

2. 腸道菌群通過STING驅動全身性IFN-I啟動

基礎IFN-Is對病毒感染的先天抗性至關重要。為了評估抗生素治療后病毒復制增強是否是由于共生細菌對 IFN-I引發(fā)的可能影響，研究者檢測了Ifnb1熒光素酶報告基因小鼠的基礎IFN-I水平?？诜股貙е氯砘AIfnb1水平降低（圖2 A）。小鼠組織的RNA-Seq測序數據表明，口服抗生素小鼠中，干擾素刺激基因ISG和促炎細胞因子的表達降低（圖2 B）。這些數據表明，腸道菌群對先天免疫啟動至關重要，賦予宿主病毒感染抵抗力。

為了剖析哪些先天免疫通路有助于菌群驅動的IFN-I啟動，研究者分析了缺乏不同先天免疫通路受體的Ifnb1熒光素酶報告小鼠（圖2 C、D）。結果顯示TLR通路存在缺陷小鼠的基礎IFN-I反應沒有顯著變化（圖2 E、F），這意味著全身性IFN-I啟動在很大程度上與TLR無關。而STING（細胞質cGAS信號接頭蛋白）通路存在缺陷的小鼠基礎Ifnb1水平顯著降低（圖G-I），證明胞內核酸傳感器對全身性IFN-I啟動至關重要。

口服抗生素消除了WT和STING缺陷小鼠之間的IFN-I反應差異，而糞菌移植則可恢復WT小鼠中的Ifnb1反應（圖2 J、K）。表明通過STING驅動全身性IFN-I啟動反應由腸道共生細菌引發(fā)。此外，研究者觀察到口服抗生素小鼠的STING蛋白水平沒有下降（圖2 L），這意味著觀察到的基礎IFN-I反應下降不是由于STING的喪失。

3. 細菌性MV啟動STING-IFN-I軸以促進抗病毒先天免疫

當在transwell系統(tǒng)中與BMDM細胞共孵育時（防止細菌與宿主細胞直接相互作用），大腸桿菌突變體可誘導STING依賴性IFN-I反應（圖3 A、B）。然而，在沒有細菌與宿主細胞直接接觸的情況下，細胞外細菌是如何能夠觸發(fā)STING-IFN-I軸的呢？過往的研究表明細菌能釋放小型脂雙層囊泡：MV，直徑20~250 nm（圖3 C）。MV可攜帶含有細菌成分的有效載荷，并可能穿過組織和細胞膜屏障。因此，研究者假設MV可能在通過細胞膜和組織傳遞細菌成分方面發(fā)揮作用，從而激活局部和遠端的STING通路。為了驗證這一假設，研究者純化了大腸桿菌中的MV，并檢查了它們在體內激活免疫反應的能力。大腸桿菌及其突變體的MV在形態(tài)上相似并且含有相當含量的DNA（圖3 C、D）。在接種到腹膜腔后，來自大腸桿菌WT的MV在WT小鼠中誘導膿毒癥癥狀，兩者均引發(fā)了類似的Ifnb1反應，且MV暴露導致HSV-1感染的BMDM中STING磷酸化增加（圖3 E-I）。此外，MV預處理使得小鼠對HSV-1感染具有更高的抗性（圖3 J、K）。

4.?細菌性MV將DNA遞送到宿主細胞中以啟動cGAS-STING-IFN-I軸

為了評估細菌性MV介導的IFN-I啟動是否可以在體內賦予針對病毒感染的保護作用，研究者將大腸桿菌WT、突變體及其MV施用于小鼠。兩周后，在誘導的IFN-I反應消退后，小鼠被HSV-1感染（圖4 A）。結果顯示活大腸桿菌或其MV顯著提高兩種小鼠模型對HSV-1的抗性（圖4 B-D）。這些數據表明，細胞外細菌通過STING啟動IFN-I系統(tǒng)，促進了小鼠對HSV-1的先天抗性。

瓊脂糖凝膠分析顯示MV中存在DNA（圖5 A、B），在用苯甲酶處理以剝離囊外DNA后，MV仍然能夠在小鼠和BMDM中誘導Ifnb1（圖 5C 和 5D）。這些結果表明，MV將DNA包裹在其內部，以保護這些DNA免受細胞外核酸酶的影響，從而促進其遞送到宿主細胞中，進而導致STING激活。當與細菌性MV一起孵育時，cGAS缺陷的HEK293細胞不會激活INF-I反應，除非cGAS的外源表達（圖 5 E、F），這表明MV介導的IFN-I啟動需要對細菌DNA感知的cGAS的參與。當缺乏cGAS或/和STING的BMDM或B16黑色素瘤細胞在transwell中與細菌或MV一起孵育時，引起的Ifnb1反應較低（圖5 G、H）。以上結果表明細胞外細菌激活cGAS-STING途徑，依賴于MV介導的細菌DNA向宿主細胞的傳遞（圖5 I）。

5. 腸道細菌來源的含有DNA的MV進入到血液循環(huán)并通過cGAS驅動全身性IFN-I啟動

從小鼠糞便和血液中分離MV并進行16S rDNA測序，結果顯示小鼠糞便和血液中含有載有細菌DNA的MV，主要來自厚壁菌門、擬桿菌門、變形菌門和放線菌門（圖6 A、B）。這些數據表明，腸道細菌群落可以釋放含有DNA的MV，同時存在于腸道和全身循環(huán)系統(tǒng)中。相較于對照小鼠，cGAS缺陷小鼠的IFN-I反應降低，抗生素處理消除了這種差異，小鼠同居過程中腸道菌群自發(fā)重新定殖的對照小鼠的基礎IFN-I完全恢復，而cGAS缺陷小鼠IFN-I水平沒有變化（圖6 C），表明cGAS對于腸道菌群誘導的全身性IFN-I啟動至關重要。上述結果證明腸道菌群產生的含有DNA的MV能夠進入血液循環(huán)，解釋了菌群驅動的全身性cGAS-STING依賴性IFN-I的啟動，能夠抵御DNA病毒的感染（圖6 D）。

6. 通過cGAS-STING啟動菌群驅動的IFN-I可抵御RNA病毒

研究者進一步探索了cGAS-STING引發(fā)菌群驅動的IFN-I是否也可以提供針對RNA病毒的防護。當感染VSV時，相較于對照小鼠，STING缺陷小鼠和cGAS缺陷小鼠產生較弱的IFN-I反應且清除病毒的能力減弱，口服抗生素抵消了這種差異（圖7 A-G）。這些結果表明，盡管cGAS-STING作為DNA傳感器，但菌群驅動的通過STING引發(fā)的IFN-I啟動也賦予了宿主對RNA病毒的先天抗性。

小編小結

本文研究表明胞內先天免疫DNA傳感器cGAS對于感知腸道菌群并自然抵抗病毒感染至關重要。這種由菌群驅動的抗病毒先天免疫啟動不需要宿主與細菌的直接接觸，而是涉及MV介導的細菌DNA向遠端宿主細胞的傳遞。這些發(fā)現強調了菌群在維持免疫系統(tǒng)對病毒的持續(xù)準備狀態(tài)中的重要性，并強調了在病毒感染期間無端使用抗生素的風險被低估了。