昼夜节律是机体为了适应环境的节律性变化，进化出的节律性行为、生理和细胞活动，使机体可有效利用营养进行高能量需求的生理行为、抵御病原入侵以及进行自我修复等活动【1】。肠道粘膜免疫的昼夜节律活动可及时响应环境因子的变化如肠道菌群和进食以维持肠道稳态和应对病原威胁【2, 3】。已有报道表明，肠道菌群可通过表观遗传因子，如组蛋白去乙酰化酶3（HDAC3），节律性驱动基因组水平的组蛋白去乙酰化，从而调控上皮细胞的生理活动【4】。然而，昼夜节律在不同类型肠上皮细胞中调控作用尚不清楚。
簇细胞（Tuft cell）是肠上皮细胞中占比极低的一类分泌型细胞（~1%），该细胞作为“哨兵”细胞，可感应环境来源信号并调控和维持肠道粘膜稳态【5-7】。鉴于肠道簇细胞在抵抗病原微生物感染中的重要作用，如寄生虫和诺如病毒，簇细胞的分化增值一直是科研人员关注的焦点。然而，簇细胞的分化增值是否受昼夜节律的调控仍知之甚少。
近日，卡耐基梅隆大学匡正团队在Science Immunology杂志发表了题为HDAC3 integrates TGF-β and microbial cues to program tuft cell biogenesis and diurnal rhythms in mucosal immune surveillance的研究文章，发现肠道簇细胞的丰度表现出昼夜节律，HDAC3可通过TGF-β—SAMDs信号通路调控簇细胞的分化而调节簇细胞丰度的昼夜节律。值得注意的是，该过程受到肠道菌群和饮食的干预。更有意思的是，簇细胞丰度的昼夜节律变化使宿主对诺如病毒CR6毒株的易感性呈现出昼夜差异，而肠上皮细胞特异性敲除HDAC3小鼠表现为昼夜易感性无差异。此外，肠上皮HDAC3缺失使2型免疫反应受损并降低了宿主的寄生虫清除能力。本研究揭示了表观遗传调控肠上皮细胞的免疫监视以应对食物和微生物的日常波动。
在这项研究中，作者首先通过分析簇细胞相关基因的表达，发现回肠簇细胞相关基因的表达呈现昼夜节律，而簇细胞相关基因的节律性在肠上皮HDAC3缺失的小鼠中丢失。作者进一步通过一系列簇细胞数量分析实验表明，肠上皮HDAC3缺失显著的降低了簇细胞在肠道中的数量。已有报道表明，簇细胞与2型免疫形成正反馈回路，发挥抗寄生虫作用。因此，作者进一步通过小鼠蠕虫感染模型、琥珀酸盐刺激模型（琥珀酸盐可通过簇细胞受体SUCNR1启动簇细胞—2型免疫正反馈回路）和类器官模型，发现肠上皮HDAC3可促进肠道2型免疫以抵抗蠕虫感染。作者进一步通过诺如病毒感染模型揭示了肠上皮HDAC3对簇细胞特异的诺如病毒CR6的感染具有调节作用。
为了回答肠上皮HDAC3是如何调控簇细胞分化的，作者首先分析了流式分选簇细胞的标签基因Dclk1和Pou2f3的表达，发现肠上皮HDAC3缺失显著降低了调控簇细胞分化的转录因子Pou2f3的基因表达，而不影响簇细胞标签基因Dclk1的表达。通过一系列实验作者发现，TGF-β信号可促进Pou2f3的转录，而肠上皮缺失HDAC3显著抑制了TGF-β信号的激活，导致Pou2f3的转录受阻，从而抑制簇细胞分化。运用肠道Lgr5+干细胞特异性缺失HDAC3小鼠模型，作者进一步发现HDAC3-TGF-β信号通路调控簇细胞分化主要发生于肠道干细胞。那么，TGF-β信号调控的簇细胞分化是否会影响簇细胞—2型免疫环路呢？作者通过类器官模型和琥珀酸盐激活2型免疫小鼠模型，发现TGF-β受体抑制剂可显著抑制IL-13和琥珀酸盐引起的簇细胞增值。可见，肠道干细胞的HDAC3—TGF-β信号通过增强Pou2f3的转录而正向调控簇细胞分化。
由于簇细胞相关基因的表达呈现出显著的昼夜节律，那么，簇细胞的分化是否也具有昼夜节律，以响应肠道环境的昼夜变化？有意思的是，作者通过系列实验表明野生型小鼠的簇细胞丰度在傍晚显著高于凌晨，而肠上皮HDAC3缺失小鼠的簇细胞丰度则失去了昼夜差异。有趣的是，TGF-β受体抑制剂处理的小鼠，簇细胞丰度也不表现出昼夜差异。昼夜差异的肠道簇细胞是否具有生理意义呢？作者首先分析了2型免疫相关基因的表达，发现它们的表达在野生型小鼠中具有昼夜节律，而在肠上皮HDAC3缺失小鼠和TGF-β受体抑制剂处理的小鼠中则降低了，且不表现出昼夜节律。值得一提的是，作者发现野生型小鼠对特异性感染簇细胞的诺如病毒CR6毒株的易感性具有昼夜节律，而肠上皮HDAC3缺失小鼠则表现出易感性降低且无昼夜节律。由此可见，簇细胞在小鼠将进入饮食活跃期时分化增生，以发挥肠道粘膜免疫“哨兵”作用。
肠道菌群的丰度和组成具有昼夜节律，其是否会是引起簇细胞丰度昼夜变化的环境因素呢？为了回答这个科学问题，作者通过无菌小鼠模型和抗生素鸡尾酒小鼠模型，发现无菌小鼠的簇细胞丰度和相关基因表达均不表现出昼夜节律。此外，抗生素鸡尾酒处理的小鼠，其TGF-β—SMADs信号亦显著被抑制，表明肠道菌群可能通过HDAC3—TGF-β信号调节簇细胞丰度的昼夜节律。已有报道表明，饮食可影响肠道菌群。因此，作者也探究了饮食习惯对小鼠簇细胞丰度昼夜节律的作用，发现夜间进食小鼠和日间进食小鼠的簇细胞丰度表现出完全相反的节律性。因此，环境因子如肠道菌群和饮食习惯均可调节簇细胞的昼夜生成节律。
综上所述，本研究通过探究HDAC3对肠道簇细胞的昼夜节律性分化增生的调控作用，揭示了表观遗传因子协同肠道菌群调控簇细胞的昼夜节律生成，以实时监测肠道环境变化以及维持肠道免疫稳态。这项研究为在治疗肠道相关疾病时，选择合适的治疗时间和进食方式提供了一定的参考。
卡耐基梅隆大学梅隆科学学院匡正助理教授为本文通讯作者。卡耐基梅隆大学张江临博士为本文第一作者。该研究得到德克萨斯大学西南医学中心Lora Hooper教授，Julie Pfeiffer教授，Chaitanya Dende博士和Yun Li博士，卡耐基梅隆大学计算机科学学院Joshua Kangas博士的大力支持。
原文链接：
https://www.science.org/doi/10.1126/sciimmunol.adk7387
制版人：十一
1. J. F. Brooks, L. V. Hooper, in Semin. Immunopathol. (Springer, 2020), vol. 42, pp. 697-708.
2. A. Mukherji, A. Kobiita, T. Ye, P. Chambon, Homeostasis in intestinal epithelium is orchestrated by the circadian clock and microbiota cues transduced by TLRs. Cell 153, 812-827 (2013).
3. T. Tuganbaev, U. Mor, S. Bashiardes, T. Liwinski, S. P. Nobs, A. Leshem, M. Dori-Bachash, C. A. Thaiss, E. Y. Pinker, K. Ratiner, Diet diurnally regulates small intestinal microbiome-epithelial-immune homeostasis and enteritis. Cell 182, 1441-1459. e1421 (2020).
4. Z. Kuang, Y. Wang, Y. Li, C. Ye, K. A. Ruhn, C. L. Behrendt, E. N. Olson, L. V. Hooper, The intestinal microbiota programs diurnal rhythms in host metabolism through histone deacetylase 3. Science 365, 1428-1434 (2019).
5. D. M. Barbosa, P. Fahlbusch, D. Herzfeld de Wiza, S. Jacob, U. Kettel, H. Al-Hasani, M. Krüger, D. M. Ouwens, S. Hartwig, S. Lehr, Rhein, a novel Histone Deacetylase (HDAC) inhibitor with antifibrotic potency in human myocardial fibrosis. Sci. Rep. 10, 1-13 (2020).
6. C. B. Wilen, S. Lee, L. L. Hsieh, R. C. Orchard, C. Desai, B. L. Hykes Jr, M. R. McAllaster, D. R. Balce, T. Feehley, J. R. Brestoff, Tropism for tuft cells determines immune promotion of norovirus pathogenesis. Science 360, 204-208 (2018).
7. M. S. Strine, C. B. Wilen, Tuft cells are key mediators of interkingdom interactions at mucosal barrier surfaces. PLoS Pathogens 18, e1010318 (2022).
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