震惊！Nature最新研究，十字花科食物能护肺，竟与芳香烃受体AHR有关？

Hello啊，小薇如期而至！今天小薇带来的内容是Nature中一篇很有意思的文章。芳香烃受体（aryl hydrocarbon receptor，AHR）对免疫细胞的影响已广为人知，但是在这项新的研究中表明，AHR在肺部血管内皮细胞中也非常活跃。该文章基于一个个实验问题出发，以多种新鲜技术在小鼠身上进行了一系列实验，以分析AHR对肺屏障的影响。并提出当摄入十字花科蔬菜这种天然膳食成分时可防止肺组织损伤。哇哦，听起来是不是很神奇？接下来，让小薇带你一起探索这篇文章研究内容及思路吧！ 文献详情：

题目：内皮AHR活性可防止病毒感染造成的肺屏障破坏

杂志：Nature.

影响因子：IF=64.8

发表时间：2023年8月

研究背景

肺内皮细胞，是一种主要介导氧气摄入和输送的单层内皮细胞。面对感染时，肺内皮细胞增殖调节促炎细胞因子的产生，并通过分泌血管分泌因子促进上皮细胞的恢复。然而，目前尚不清楚肺内皮中的转录程序是如何调控以应对感染或促进宿主保护的。 AHR是一种配体激活的转录因子，广泛表达于屏障和免疫系统中，能够对生理和环境刺激做出反应。天然AHR配体主要来源于膳食中吲哚和色氨酸代谢。激活后，AHR诱导一系列靶基因，包括编码细胞色素p450（CYP1）酶，这些基因通过氧化促进AHR配体的代谢清除。因此，CYP1介导的配体代谢是一种重要的负反馈机制，可抑制AHR信号传导。AHR的作用在胃肠道中表现明显，其中丰富的微生物来源和膳食来源的配体激活组织驻留的免疫细胞和上皮细胞，以促进屏障保护。在肺中，AHR负调控I型干扰素（IFNs）的产生，然而，AHR在肺屏障防御中的作用尚不清楚。

研究思路

在本篇文章中，作者首先使用AHR报告小鼠（AHR-tdTomato）和CYP1A1报告小鼠（CYP1A1），采用无偏倚的系统方法来表征AHR在不同肺细胞室中的表达和信号转导。采用平均荧光强度（MFI）值，免疫荧光检测证实了内皮细胞中的AHR信号通路，并通过定量PCR（qPCR）检测AHR和靶基因的表达。进一步通过单细胞RNA测序（scRNA-seq）数据集来绘制肺中的AHR通路。接着作者采用甲型流感病毒（X31）感染野生型（WT）小鼠和Cyp1-/-小鼠，并评估肺损伤。为了研究这一点，作者使用ECΔAhr小鼠，发现内皮Ahr缺失导致流感病毒感染后肺血管渗漏增加，加剧组织损伤，促进细胞浸润。接着作者对未感染和流感病毒感染的WT和ECΔAhr小鼠分离的肺内皮细胞（CD31+）进行了大量RNA测序，并通过qPCR证实了ECΔAhr内皮细胞中apelin和APLNR表达的破坏，确定了apelin-APLNR信号轴是AHR依赖的肺保护机制。此外作者发现由膳食配体诱导的扩增的肺AHR信号可以保护小鼠免受流感诱导的组织损伤和血管渗漏，其依赖于内皮细胞中的AHR信号和APLNR信号。（ps有问题找小薇，关注小薇，科研热点、国际前沿or创新型思路，想看啥call下小薇，咱就是说安排！）

主要结果

01肺血管系统中的AHR信号传导

作者使用AHR报告小鼠（AHR-tdTomato）和CYP1A1报告小鼠（CYP1A1–eYFP），采用无偏倚的系统方法来表征AHR在不同肺细胞室中的表达和信号转导。AHR-tdTomato在所有肺细胞类型中均检测到表达，但主要在CD31+肺内皮细胞（66.2%）、II型肺泡细胞（61.1%）和气道上皮细胞（55.2%）中表达（图1a）。此外，基因平均荧光强度（MFI）值以及免疫荧光检测证实了内皮细胞中的AHR信号通路（图1b）。接着作者通过定量PCR（qPCR）检测AHR和靶基因的表达，发现分离的CD31+肺内皮细胞中Ahr和Cyp1a1的表达显著增加（图1c）。RNA荧光原位杂交结果显示，在大血管内皮和肺泡毛细血管网络中均有AHR特征（图1d）。接下来，作者利用单细胞RNA测序（scRNA-seq）数据集来绘制肺中的AHR通路。AHR和CYP1A1在内皮细胞亚群中均被检测到，在气道上皮、毛细血管和静脉内皮中发现的信号最强。此外作者证实人肺内皮中存在高水平的AHR基础信号通路。进一步作者利用了受AHR调控的三种CYP1家族酶（Cyp1a1、Cyp1b1和Cyp1a2）缺失的小鼠。Cyp1-/-小鼠不能代谢AHR配体，因此缺乏自动调节反馈控制，这导致了可用的天然配体和构成型AHR信号通路库的扩大。CYP1缺失导致CD31+肺内皮细胞中AHR靶基因（Ahrr和Tiparp）的表达增加，而上皮细胞仅略有增加，免疫细胞没有变化（图2a）。综上所述，这些结果确定了小鼠和人类肺的血管内皮中AHR活性增加。

图1 内皮细胞是肺中AHR活性增加的一个部位 

02AHR可防止肺血管渗漏

为了了解内皮细胞中扩增的AHR信号是否影响肺屏障功能，作者用甲型流感病毒（X31）感染野生型（WT）小鼠和Cyp1-/-小鼠，并评估肺损伤。对流感病毒感染后第6天的支气管肺泡灌洗液（BALF）的分析显示，Cyp1-/-小鼠对感染诱导的肺屏障渗漏更有抵抗力。与WT对照组相比，这些小鼠的总细胞和红细胞数量减少，肺内免疫细胞浸润减少(图2b、c)。通过流感病毒感染的Cyp1-/-小鼠BALF中总蛋白和血清白蛋白浓度的测定，细胞浸润的减少与肺损伤标志物的减少相一致（图2d）。Cyp1-/-小鼠的肺保护作用增加，但病毒负荷没有变化（图2e），这表明与AHR信号通路增加相关的保护作用是由于疾病耐受机制的增强，而不是改变抗病毒免疫。Cyp1-/-小鼠肺损伤的减少与感染后发病率的降低和存活率的增加相一致（图2f，g)。在流感病毒感染后，Cyp1-/-小鼠的促炎反应显著被抑制。其特征是肺动脉水平降低免疫细胞招募，早期IFN产生减少，BALF中促炎细胞因子和趋化因子浓度较低，肺实质中免疫细胞分布减少。这些数据突出了AHR负反馈调节在消融后所赋予的保护作用促进肺屏障的完整性，从而降低呼吸道病原体感染后疾病的严重程度。接下来，作者使用Cdh5cre-Ert2Rosa26LSL-YFP；ECΔAhr/Ahrflox/flox小鼠，发现内皮Ahr缺失导致流感病毒感染后肺血管渗漏增加，加剧组织损伤，促进细胞浸润（图2j-l）。ECΔAhr小鼠肺损伤的增加与流感病毒负荷的改变无关（图2m）。此外，还观察到支气管上皮损伤和肺胸膜增厚（图2n）。综上所述，这些结果确定了内皮特异性AHR活性作为肺屏障保护的宿主机制，可防止病毒感染后的血管渗漏。

图2 内皮中的AHR信号可防止肺血管渗漏

03呼吸道上皮细胞的内皮保护

作者对从未感染和流感病毒感染的WT和ECΔAhr小鼠（感染后第6天）分离的肺内皮细胞（CD31+）进行了大量RNA测序，发现肺攻击后保护性AHR信号变得明显。对感染的WT内皮细胞和ECΔAhr内皮细胞中差异表达基因的通路分析发现，在没有内皮细胞AHR的情况下，细胞应激反应、代谢和细胞死亡有显著的破坏（图3b）。同时，对肺上皮细胞（EpCam+）的转录组进行了分析，发现内皮特异性Ahr缺失对肺上皮细胞的基因表达几乎没有影响。然而，在感染后检测到ECΔAhr小鼠上皮细胞转录谱的广泛破坏（图3c）。通路分析显示，ECΔAhr上皮细胞的增殖和细胞间信号传导明显失调（图3d），这表明在病毒感染后，肺内皮细胞和上皮细胞之间存在广泛的AHR驱动的串扰。基因集合富集分析（GSEA）证实了细胞应激谱（DNA修复、缺氧、氧化磷酸化、p53和活性氧）的富集。还观察到ECΔAhr内皮中屏障破坏和血管渗漏（顶端连接、凋亡、凝血和补体）和炎症信号（缺氧、炎症和糖酵解），以及受损上皮细胞中异常的有丝分裂谱（图3e）。此外，在感染ECΔAhr肺中的扩张增加可能导致有丝分裂上皮特征失调（图3d，e）和上皮破坏，组织学分析证明如此（图2n）。此外，流感病毒感染后气道上皮细胞凋亡和坏死的频率显著增加，但在内皮细胞和II型肺泡细胞中未检测到差异（图3f）。总之，这些发现强调了AHR信号在肺损伤后内皮细胞中的重要性。AHR在血管系统中的活性可以防止内皮应激和屏障破坏，同时也可以调节流感病毒感染后气道上皮细胞中异常增生的角质化和凋亡特征。在ECΔAhr内皮细胞中，最明显被破坏的通路是apelin（由Apln编码）信号通路（图3b），通过qPCR证实了ECΔAhr内皮细胞中apelin和APLNR表达的破坏（图3g）。同样，cyp1缺陷小鼠在肺内皮中AHR信号通路增加，在血管系统中也显示Apln表达增加（图3h）。Apelin治疗显著减少了流感病毒感染的WT小鼠的肺损伤和血管渗漏（图3i）。在ECΔAhr小鼠中应用阿皮林的疗效降低是由于其血管Aplnr表达的显著降低（图3g）。使用竞争性APLNR拮抗剂MM54治疗后均表现出肺血管渗漏增加（图3j)。综上所述，这些发现确定了apelin-APLNR信号轴是AHR依赖的肺保护机制，它可以防止流感诱导的肺损伤后的内皮应激、血管渗漏和上皮重构。

图3 内皮细胞AHR通过气道上皮Apelin信号通路介导肺保护，并防止气道上皮细胞中发育不良的凋亡反应。

04肠肺轴决定肺部病理变化

感染后WT肺内皮细胞中AHR信号通路的显著抑制（图4a，b）。与感染的WT对照组相比，感染的ECΔAhr小鼠表现出AHR信号通路进一步降低（图4c），肺血管渗漏增加。膳食代谢物是天然AHR配体的丰富来源。作者通过膳食中添加吲哚-3-甲醇（I3C）来增加AHR配体的摄入量。喂食富含I3C饮食的小鼠在所有肺细胞亚群中AHR信号均显著增加，但主要是在肺内皮细胞中（图4d）。此外，作者发现天然膳食配体对肺AHR活性的贡献。流感感染后，肺内皮细胞中Apln的表达也降低，通过补充AHR配体可以恢复这一表达（图4f）。综上所述，这些发现表明，内皮细胞中的保护性AHR活性受到饮食摄入的调节，而饮食摄入可被感染状态所改变。接下来，作者试图了解由I3C补充饮食介导的AHR信号增强是否影响疾病进展。喂食I3C补充饲料的小鼠表现出相似水平的免疫细胞招募、细胞因子和趋化因子的产生，除了I型和III型IFN产量略有减少。相比之下，由膳食配体诱导的扩增的肺AHR信号可以保护小鼠免受流感诱导的组织损伤和血管渗漏（图4g-i）。I3C饮食诱导的肺保护同时依赖于内皮细胞中的AHR信号（图4h，i）和APLNR信号（图4j，k）。总的来说，这些发现表明，天然饮食AHR配体诱导肺血管系统中沿肠-肺轴的保护性AHR信号，以促进宿主对呼吸道病毒病原体的防御。

图4 流感病毒感染后，保护性肺AHR信号的丢失受到饮食摄入的调节

文章小结

这项研究揭示了AHR对于内皮细胞层在肺部维持强大的屏障非常重要，多吃花椰菜等十字花科蔬菜，可以激活肺内皮细胞中的芳香烃受体（AHR），有助于保护肺屏障功能和感染后肺部的修复。该研究展示了内皮细胞在肠-肺轴中的重要作用，通过内皮细胞将饮食与预防肺部感染联系了起来。整体逻辑清晰、层层递进、环环相扣！无论是研究思路还是写作方法都值得大家学习和思考，感兴趣的小伙伴们快来看看吧！