•综述*
呼吸道菌遗传、物种多样性扁蓿豆
刘建高子薇凌虹
哈尔滨医科大学微生物学教研室，黑龙江省感染与免疫重点实验室，
黑龙江省普通高校病原生物学重点实验室150081
通信作者：凌虹，Email:lingh@ems.hrbmu.edu
【摘要】呼吸道是一个复杂的器官系统，负责氧气和二氧化碳的交换。人类的呼吸道
33链
从前鼻孔一直延伸到肺，定植着生态位特定的微生物落。呼吸道共生菌遗传和物种多样性提供了对呼吸道病原体的定植抗性，也参与到呼吸系统生理和免疫稳态的成熟和维持当
中，在人体健康和疾病中起着重要的作用。呼吸道共生菌遗传和物种多样性的组成以及它们
与宿主免疫间的相互作用如何影响呼吸道健康是当前研究的重点。本文系统地综述了人体 呼吸道不同生态位点优势菌的遗传和物种多样性以及呼吸道黏膜免疫系统的组成，并进一 步阐述呼吸道共生菌对宿主免疫成熟、免疫耐受和免疫应答的作用。更好地了解共生菌遗
传多样性和其参与的宿主免疫微环境可能有助于开发有效的手段。
[关键词】呼吸道；菌；遗传多样性；黏膜免疫
DOI：10.3760/cma.j231536-20200611-00045
Genetic and species diversity of respiratory tract microbiota and its effects on immune microenvi
ronment
Liu Jian,Gao Ziwei,Ling Hong
Department of Microbiology,Harbin Medical University；Key Laboratory for Infection and Immunity；Key La
boratory of Pathogens Biology,Heilongjiang Province,Harbin150081,China
Corresponding author:Ling Hong,Email:lingh@ems.hrbmu.edu
[Abstract]The respiratory tract is a complex organ system that is responsible for the exchange of
陶瓷滤波器
oxygen and carbon dioxide.Human respiratory tract spans from the anterior nares to the lung and is inhab
ited by niche-specific microbiota.The genetic and species diversity of the respiratory microbiota provides
resistance to colonization by respiratory pathogens,and might also be involved in the maturation and main
tenance of homeostasis of respiratory physiology and immunity,and play an important role in human health
and disease.The composition of genetic and species diversity of respiratory commensals,and how their in
teraction with host immunity affects respiratory health are the focus of current research.This article system
atically reviews the genetic and species diversity of dominant microbiota in different niches of the human
respiratory tract and the composition of the human respiratory mucosal immune system.It has further shown
that the respiratory commensals contributes to host immune maturation,immune tolerance and immune
response.A better understanding of the genetic diversity of commensal bacteria and the host immune micro
environment in which they participate may help to develop effective treatments.
【Key words]Respiratory tract；Microbiota；Genetic diversity；Mucosal immune
DOI：10.3760/cma.j231536-20200611-00045
呼吸道是一个复杂的系统，分为上呼吸道(upper respiratory tract,URT)和下呼吸道(lower respiratory tract,LRT)o URT包括前鼻孔、鼻道、鼻旁窦、鼻咽和口咽以及声带上方的喉部，LRT 包括声带下方的
喉部、气管、较小的气道(即支气管和细支气管)和肺泡。呼吸道的主要功能是氧气和二氧化碳的交换，为此，成人呼吸道的表面积约70n/，比皮肤表面积大40倍。整个呼吸道黏膜表面栖息着生态位特定的细菌落，这些常驻微生物与宿主共同构成呼吸道生态微环境。共生菌可以与宿主免疫系统相互作用，在免疫应答、免疫耐受和免疫成熟等免疫稳态方面发挥着重要作用。通过靶向调控菌进而影响菌-宿主间相互作用可能是呼吸道疾病的潜在策略。了解呼吸道菌多样性、黏膜免疫系统组成以及共生菌与宿主免疫相互作用及机制对研制呼吸道微生态制剂及疾病的都有重要意义。
1呼吸道菌多样性
呼吸道由不同的解剖结构组成，这些结构具有不同的上皮细胞类型并且暴露于不同的环境因素下。这些不同的生态位点被专门的细菌落所定植，这些落在维持呼吸道乃至全身健康方面起着重要作用。 前鼻孔最接近外部环境，具有皮肤样角化鳞状上皮，包括浆液腺和皮脂腺，而后者产生皮脂，导致亲脂性皮肤定植菌的富集，包括Staphylococcus、Propionibacterium和Corynebacterium 菌属F o Lemon等发现Staphylococcaceae菌科与Corynebacteriaceae和Propionibacteriaceae菌科之间呈负相关。在前鼻孔中也经常发现常见于其他呼吸道位点的细菌，包括Moraxella、Dolosi-granulum和Streptococcus菌属」旳□
鼻道存在上、中和下鼻道，其呼吸区黏膜属于假复层纤毛柱状上皮并含有丰富的浆液腺、黏液腺和杯状细胞，能产生大量分泌物。鼻旁窦内衬有黏膜，与鼻腔黏膜相延续，均为纤毛柱状上皮。在没有慢性炎症或抗生素暴露的情况下表征28名健康成人的中鼻道微生物组，Staphylococcus和Propionibacterium是其中普遍的定植菌属⑸。一项来自全世界410个人的鼻窦研究确定一个由Corynebacterium、Staphylococcus、Streptococcus、Haemophilus和Moraxella菌组成的核心微生物组⑷。针对鼻内3个不同部位：前鼻孔、中鼻道和蝶筛隐窝的微生物组研究发现，中鼻道和蝶筛隐窝处的微生物组成几乎相同，包括Corynebacterium、Propionibacterium、Escherichia-Shigella和Staphylococcus，二者菌多样性和丰富度与前鼻孔有差异E。进一步研究确定Corynebacterium属的成员与Staphylococcus aureus 存在竞争的相互作用
鼻咽位于鼻腔深处，被复层扁平上皮覆盖，并伴有呼吸道上皮细胞。幼儿鼻咽典型的细菌落组成包括Corynebacterium、Moraxella y Staphylococcus、Streptococcus、Dolosigranulum和Haemophi-血，随着时间变化，其优势型也会发生改变［8-101O健康成年人鼻咽部细菌落的组成比前鼻孔更加多样，并显示出与前鼻孔相当大的重叠，它也含有Corynebacterium、Moraxella和Staphylococcus菌属门门。一项根据扩增子序列变体(amplicon sequence variants,AS V s)鉴定微生物组的研究证实，健康成年人鼻咽部可分为4种不同的细菌落类型：Moraxella优势型、Streptococcus优势型、Fusobacteriurn优势型和以Coryne-bacterium、Staphylococcus和Dolosigranulum为关键成员的混合
型‘引。在这些类型中，Streptococcus 和Fusobacteriurn优势型是鼻咽特异性的，在鼻腔中并不占优势〔⑵。
口咽由排列的非角化复层扁平上皮构成，是连接LRT、胃肠道和URT其他部分的关键点，并且暴露于各种各样的外源性和内源性微生物中，所以通常认为口咽微生物组在整个呼吸道中有着自身的分布特征。口咽具有比鼻咽部更多样的细菌落，其特征在于高丰度的Streptococcus、Neisseria、Rothia、Haemophilus和包括Veillonella、Prevotella、Gemella、Fusobacteria和Lep-totrichia菌属在内的厌氧菌"曲。一些研究表明，在健康儿童和成人中，口咽中的细菌落不同于前鼻孔口曲7)或鼻咽〔心6切。尽管老年人的前鼻孔和口咽细菌落没有显示区别，但个人的前鼻孔和口咽微生物组成仍然不相同⑷。值得注意的是，有研究表明健康人口咽微生物组只有低丰度的Streptococcus，此时
•290•国际遗传学杂志2020年10月15日第43卷第5期Int J Genet Oct.15,2020,Vol.43,No.5
Prevotella成为最丰富的菌属〔18'19］。
饮料瓶提手喉咽又称下咽，其上皮构成与口咽相同。一项针对健康婴儿下咽微生物组的纵向研究表明下咽大多数微生物属于核心微生物，并存在5种不同的落类型，分别是Staphylococcus、Streptococcus、Moraxella、Corynebacterium主导型和混合型呦。
LRT的气管内覆盖呼吸道上皮细胞，肺中的肺泡衬有功能不同的肺泡上皮细胞。与URT 和其他人类黏膜部位不同，肺在传统上被认为是无菌的。但是，最近使用下一代测序技术的大量研究表明，健康人的肺部含有微生物［21'24］o一项针对幼儿的研究表明尽管肺部存在一个独特的微生物组，但以URT中存在的Moraxella、Haemophilus、Staphylococcus和Streptococ-CUS为主导［⑸。成年人肺微生物组以Firmicutes 门(包括Streptococcus和Veillonella属)和Bacte-roidetes门(包括Prevotella属)占优势'W有趣的是，Tropheryma仅在肺中富集「"汕。尽管肺部的生理参数(如氧气张力、pH和温度)存在细微的区域变化，但健康个体肺部微生物落的空间变化非常小［28'29］O
微生物向肺部的迁移主要通过URT的微吸入发生㈤］。通过高通量的微生物组研究已经证实，在健康个体中肺微生物种类在很大程度上类似于URTU2兀27］。其中，口咽微生物的微吸入似乎是肺微生物组的主要来源炉］。尽管在其他研究中，肺微生物也代表了来源于口咽和鼻咽细菌落的混合物，但是口咽和肺微生物之间的差异比鼻咽和肺之间的差异更小［25'31］□总之，这些体现了肺与URT微生物组之间的密切联系。
2呼吸道黏膜免疫系统
呼吸道黏膜免疫系统与外部环境密切接触，为免疫反应提供了场所。黏膜上皮层将微生物和固有层分隔开，并产生多种有助于屏障功能的抗菌肽，如，防御素⑶〕。其中，咽部和肺上皮细胞以及巨噬
细胞和树突状细胞(dendritic cells,DC细胞)存在模式识别受体(pattern recognition receptor,PRR)监测微生物，如Toll样受体(Toll-like receptor,TLR)和核昔酸结合寡聚化结构域(nucleotide-binding oligomerization domain,NOD)样受体(NOD-like receptor,NLR)，它们对于激活抗菌反应至关重要囚〕。上皮层还散布着杯状细胞(goblet cells, G细胞)，通过分泌黏液防止病原体进入⑶〕。此外，黏液中的糖蛋白Muc5b可以防止气道的感染"o黏膜相关淋巴组织(mucosa-associated lymphoid tissue,MALT)的M细胞(microfold cells)将微生物从上皮转运至固有层，激活DC 细胞叫
MALT含有多种免疫细胞，如T细胞、B细胞和DC细胞，用于诱导和调节黏膜免疫应答。在呼吸道中，DC细胞存在于上皮层下方，透过细胞间隙捕获微生物抗原⑶)。DC细胞上调共刺激分子(CD40、CD80、CD83和CD86)，产生多种细胞因子(IL-12JL-10JL-23JL-6和IL-23)，并通过肺引流淋巴结将处理过的抗原呈递给幼稚T细胞。T细胞亚，包括CD4+和CD8+T细胞转化为效应T细胞，离开淋巴结并迁移至效应位点。CD4+T细胞通过分泌细胞因子如IFN-y、IL-10和IL-17来发挥其效应功能，而CD8+T细胞通过颗粒酶/穿孔素和Fas-FasL途径发挥作用⑶］。在遇到同源抗原后，淋巴结中的B细胞活化成浆细胞，产生分泌型IgA抗体，阻止病原体定植黏膜表面3〕。近来的研究认为IgA有助于维持平衡和多样化的微生物，与宿主建立共生关系⑶呦。
3呼吸道共生菌与宿主免疫
首先，呼吸道微生物的定植被认为在呼吸道的免疫结构成熟方面起作用。无菌小鼠趋于具有较小的肺部和减少的成熟肺泡数量⑷］o 在无菌小鼠幼崽的鼻腔中定植Lactobacillus属细菌，随后成熟的肺泡数量会显示正常化⑷］。一般而言，肺泡具有的表面活性物质在肺天然免疫中起着重要作用，因为表面活性物质缺乏可导致肺泡巨噬细胞吞噬和杀死病原体的功能减弱‘切。鼻咽相关淋巴样组织(nasopharyngeal-as-sociated lymphoid tissue,NALT)在出生后的发生发育需要环境的诱因，例如，来自生态位的共生菌⑷］。同样，新生小鼠暴露于脂多糖会导致支气管相关淋巴组织(bronchus-associated
lymphoid tissue,BALT）的形成和发育44。
越来越多的证据表明，呼吸道共生菌有助于宿主长期的免疫耐受，最终塑造免疫成熟。生命早期肺部的细菌负荷增加，优势细菌门从Gammaproteobacteria和Firmicutes转变为Bacteroidetes，共生菌的变化诱导DC细胞对程序性死亡配体1（programmed death ligand1,PD-I A）的瞬时表达。调节性T细胞（regulatory T cells, Treg细胞）与PD-L1相互作用减弱气道高反应性，从而导致宿主对吸入性过敏原的长期耐受「⑹。类似地，共生菌的定植会吸引活化的Treg细胞至皮肤，诱导对皮肤共生菌的免疫耐受，这对于长期与外界接触的人体部位是必需
此外，无菌小鼠肺中CXC趋化因子配体16（CXC chemokine ligand16,CXCL16）基因的超甲基化会
增加CXCL16的表达和黏膜自然杀伤性T细胞（natural killer T cells,NKT细胞）的积累，它们与哮喘和炎症息息相关。在生命早期从正常小鼠肺部移植共生菌可以保护宿主免受NKT 细胞积累而导致的过敏性哮喘的影响⑷）。这些结果表明，呼吸道共生菌对于塑造宿主对环境暴露的免疫耐受至关重要。
对于过度炎症反应，共生菌可以通过PRR信号通路调控黏膜炎症，维持免疫稳态。在小鼠模型中，与致病性变形杆菌相比，共生Prevotella减少了中性粒细胞的募集和TLR2介导的促炎症细胞因子的产生网。URT的细菌定植可在位于远端的肺部黏膜组织中引起反应。鼻内接种共生菌Staphylococcus aureus导致TLR2介导的单核细胞募集到肺部，分化为免疫抑制性肺泡巨噬细胞，随后减弱了流感病毒诱导的炎症反应和急性肺损伤呦。鼻内施用Lactobacillus plantarum可产生TLR2和NOD2受体介导的对致死性肺炎病毒感染的保护作用叫
在共生菌调控宿主对病原体的免疫应答方面，可以通过调节宿主免疫信号抑制乃至清除病原体。在无菌小鼠上呼吸道定植可培养的共生菌，分别通过NOD2和粒细胞-巨噬细胞集落刺激因子（granulocyte-macrophage colony-stimulating factor,GM・CSF）信号传导通路增强呼吸道防御，刺激肺泡巨噬细胞杀死并清除病原体，提高肺免疫功能旳。鼻内接种共生菌Corynebacterium pseudodiphtheriticum可以通过调控TLR3介导的固有免疫反应保护小鼠免受呼吸道合胞病毒的初次感染和肺炎链球菌的二次感染O非分型Haemophilus influenzae与人支气管上皮细胞的共培养可以引发针对之后呼吸道合胞病毒感染的保护W但是，重要的是要谨慎解释这些数据，因为特定物种在异质环境
下（体外、小鼠或人体）会发挥不同的作用。共生菌还可以通过其他方式帮助宿主抵抗致病菌，如诱导宿主的免疫交叉反应以产生针对病原体的保护性免疫⑶）。
由于呼吸道黏膜上存在大量的共生菌和潜在病原体，因此必须在非致病性共生菌的免疫耐受与病原体的免疫应答之间保持微妙的平衡。因为气体交换对于人类生命活动必不可少，并且肺极易受到炎症反应的损害，良好的免疫稳态对呼吸道健康特别重要。
4展望
随着测序技术的进步，目前可以严格地检测和分析呼吸道微生物遗传多样性和宿主免疫微环境。在微生物方面，从鉴定属或物种到在微生物中收集基因信息（宏基因组学）或转录数据（宏转录组学）的研究有助于更好地了解其在健康和疾病中的作用，并揭示可能的干预目标。迄今为止，呼吸道宏基因组学和宏转录组学仍局限于少数研究。关于宿主免疫微环境，一方面，呼吸道共生菌可抑制宿主在感染及自身免疫病中的促炎症反应调节宿主长期的免疫耐受。因为不受控制的过度免疫反应对于宿主是病理性的。另一方面，呼吸道共生菌可通过加强免疫信号达到抑制乃至清除病原体的作用，共生菌和病原体之间的免疫交叉反应也具有产生针对病原体的保护性免疫的潜力。
呼吸道免疫微环境中微生物多样性的建立对于维持体内稳态是至关重要的。但今后的研究仍面临以下问题：①菌失调概念仍然模糊不清，经常被滥用，“正常”或“健康”的微生物多样性需要进一步的明确
定义；②呼吸道样本的低细菌DNA量和宿主DNA污染限制了微生
物多样性数据的功能解释；③确定微生物多样性组成或功能的改变与呼吸道疾病发生的因果关系是微生物成为干预靶点的前提；④如何建立具有不同微生物遗传多样性的动物模型研究呼吸道免疫微环境，并谨慎解释动物实验中的结果；⑤人体免疫系统如何判别共生菌与病原体，进行不同免疫应答，共生菌的免疫耐受对病原体入侵时的免疫反应具有什么影响；⑥共生菌和病原体之间的免疫交叉反应能否转化为针对病原体的潜在手段。对这些问题的解答或许可以更好地利用微生物遗传多样性设计针对呼吸道疾病的微生态制剂。
利益冲突所有作者均声明不存在利益冲突
参考文献
[1]Zhou Y,Mihindukulasuriya KA,Gao H,et al.Exploration of
.bacterial community classes in major human habitats[J]•Ge
nome Biol,2014,15(5)：R66.DOI：10.1186/gb-2014-
15-5-r66.
[2]Lemon KP,Klepac-Ceraj V,Schiffer HK,et al.Comparative
analyses of the bacterial microbiota of the human nostril and oro
pharynx[J].MBio,2010,1(3)：e00129.DOI：10.1128/
mBio.00129-10.
[3]Wos-Oxley ML,Chaves-Moreno D,Jauregui R,et al.Explo
ring the bacterial assemblages along the human nasal passage
[J].Environ Microbiol,2016,18(7)：2259-2271.DOI：
10.1111/1462-2920.13378.
[4]Whelan FJ,Verschoor CP,Steams JC,et al.The loss of topog
raphy in the microbial communities of the upper respiratory tract
in the elderly[J].Ann Am Thorac Soc,2014,11(4)：513-
521.DOI：10.1513/AnnalsATS.201310-3510C.
[5]Ramakrishnan VR,Feazel LM,Gitomer SA,et al.The micro
biome of the middle meatus in healthy adults[J].PLoS One,
2013,8(12)：e85507.DOI：10.1371/journal,pone.
0085507.
[6]Paramasivan S,Bassiouni A,Shiffer A,et al.The international
sinonasal microbiome study:A multicentre,multinational charac
terization of sinonasal bacterial ecology[J].Allergy,2020,75
(8)：2033-2045.DOI：10.1111/all.14276.
[7]Yan M,Pamp SJ,Fukuyama J,et al.Nasal microenvironments
and interspecific interactions influence nasal microbiota complexi
ty and S.aureus carriage[J].Cell Host Microbe,2013,14
(6):631-640.DOI：10.1016/j.chom.2013.11.005. [8]Bosch A,Levin E,van Houten MA,et al.Development of up
per respiratory tract microbiota in infancy is affected by mode of
delivery[J].EBioMedicine,2016,9：336-345.DOI：10.
1016/j.ebiom.2016.05.031.[9]Teo SM,Mok D,Pham K,et al.The infant nasopharyngeal mi防屏蔽
crobiome impacts severity of lower respiratory infection and risk of asthma development[]].Cell Host Microbe,2015,17(5)：
704-715.DOI：10.1016/j.chom.2015.03.008.
[10]Biesbroek G,Tsivtsivadze E,Sanders EA,et al.Early respir
atory microbiota composition determines bacterial succession pat
terns and respiratory health in children J.Am J Respir Crit
Care Med,2014,190(11)：1283-1292.DOI：10.1164/
rccm.201407-1240OC.
[11]Igartua C,Davenport ER,Gilad Y,et al.Host genetic varia
tion in mucosal immunity pathways influences the upper airway
microbiome[J].Microbiome,2017,5(1)：16.DOI：10.
1186/s40168-016-0227-5.
[12]De Boeck I,Wittouck S,Wuyts S,et al.Comparing the
healthy nose and nasopharynx microbiota reveals continuity as
well as niche-specificity[J].Front Microbiol,2017,8:
2372.DOI：10.3389/fmicb.2017.02372.
[13]Charlson ES,Chen J,Custers-Allen R,et al.Disordered mi
crobial communities in the upper respiratory tract of cigarette
smokers[J].PLoS One,2010,5(12):el5216.DOI：10.
1371/j ournal,pone.0015216.
[14]Steams JC,Davidson CJ,McKeon S,et al.Culture and mo
lecular-based profiles show shifts in bacterial communities of the
upper respiratory tract that occur with age[J].ISME J,2015,
9(5)：1246-1259.DOI：10.1038/ismej.2014.250. [15]de Steenhuijsen Piters WA,Huijskens EG,Wyllie AL,et al.
Dysbiosis of upper respiratory tract microbiota in elderly pneu
monia patients[J].ISME J,2016,10(1)：97-108.DOI：
10.1038/ismej.2015.99.
[16]Wang H,Dai W,Feng X,et al.Microbiota composition in
upper respiratory tracts of healthy children in Shenzhen,China,
differed with respiratory sites and ages[J].Biomed Res Int,
2018,2018：6515670.DOI：10.1155/2018/6515670.
L17]Hang J,Zavaljevski N,Yang Y,et al.Composition and variation of respiratory microbiota in healthy military personnel[J].
PLoS One,2017,12(12)：eO188461.DOI：10.1371/
journal,pone.0188461.
[18]Li X,Sun Y,An Y,et al.Air pollution during the winter pe
riod and respiratory tract microbial imbalance in a healthy young
population in northeastern China[J].Environ Pollut,2019,
煤气化炉
246：972-979.D01：10.vpol.2018.12.083. [19]Lu HF,Li A,Zhang T,et al.Disordered oropharyngeal mi
crobial communities in H7N9patients with or without secondary
bacterial lung infection[J].Emerg Microbes Infect,2017,6
(12):ell2.DOI：10.1038/emi.2017.101.
[20]Mortensen MS,Brejnrod AD,Roggenbuck M,et al.The devel
oping hypopharyngeal microbiota in early life[J].Microbiome,
2016,4(1)：70.DOI：10.1186/s40168-016-0215-9. [21]Pattaroni C,Watzenboeck ML,Schneidegger S,et al.Early-
life formation of the microbial and immunological environment of
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议