《Science》：巨噬細胞依賴的宿主-菌群穩態受分支肌動蛋白網絡介導

2025年11月13日，英國弗朗西斯·克里克研究所的Michael Way團隊，在國際期刊Science（IF=56.9）在線發表題為：Branched actin networks mediate macrophage-dependent host-microbiota homeostasis的論文。該研究通過構建造血系統特異性ARPC5敲除小鼠模型（C5^Δvav），發現其在斷奶后自發發生回腸炎，伴隨微菌群侵入及系統性炎癥，原因是由于微生物群突破回腸黏膜引起的，并進而引發全身性炎癥。缺乏ARPC5的巨噬細胞和中性粒細胞會浸潤回腸，但無法有效抑制微生物的入侵。具體來說，缺乏ARPC5的巨噬細胞在吞噬和殺死細胞內細菌方面存在困難，是因為ARPC5缺失巨噬細胞的纖維狀肌動蛋白（F-actin）減少、吞噬和殺菌能力下降。該研究結果強調了含有ARPC5（而非ARPC5L）的Arp2/3復合體在單核吞噬細胞功能及宿主-微生物群穩態中的作用。

肌動蛋白絲的重組對于細胞改變形狀和遷移至關重要。肌動蛋白骨架的異常與多種免疫缺陷疾病相關，例如Wiskott-Aldrich綜合征。ARPC5（actin-related protein 2/3 complex subunit 5），也稱為p16-ARC，是ARP2/3復合體的一個亞基，該復合體在調控肌動蛋白骨架動態中起核心作用，參與細胞遷移、分裂、內吞作用和 vesicle trafficking等過程；此外，ARP2/3復合體還通過同源重組修復參與DNA雙鏈斷裂修復。研究發現ARPC5作為Arp2/3復合體的一個亞基，其功能缺失會導致嚴重的免疫缺陷和炎癥反應，甚至導致患者早期死亡。但是，ARPC5功能缺失導致免疫缺陷和炎癥反應的機制尚不清楚。

開始，研究人員構建了ARPC5功能缺失工具小鼠（C5^Δvav），相對于對照C5^Het/Vav，發現C5^ΔVav小鼠在斷奶后出現體重增長緩慢和糞便中脂鈣蛋白-2水平升高，表明存在腸道炎癥。組織病理學分析顯示，C5^ΔVav小鼠回腸出現炎癥，伴隨單核細胞/巨噬細胞和中性粒細胞浸潤以及結構完整性喪失。單細胞RNA測序分析進一步證實，C5Δ^Vav小鼠回腸中單核細胞/巨噬細胞和中性粒細胞數量增加。此外，C5^ΔVav小鼠還表現出全身炎癥的跡象，包括血清C反應蛋白（CRP）水平升高、外周血中吞噬細胞數量增加以及脾臟和骨髓中細胞組成發生改變。通過骨髓移植實驗，研究人員證實了C5^ΔVav小鼠的病理特征是由造血系統缺陷引起的。

ARPC5 在免疫細胞中的缺失導致腸道損傷及全身炎癥

研究人員發現C5^ΔVav小鼠腸道炎癥的發生是一個漸進的過程，并在斷奶后由腸道菌群失衡驅動。在斷奶前，C5^ΔVav小鼠并未出現腸道炎癥。而斷奶后，C5^ΔVav小鼠腸道菌群中梭菌和擬桿菌數量發生改變，這與腸道炎癥的發生時間相吻合。更重要的是，抗生素治療能夠有效抑制C5ΔVav小鼠腸道炎癥的發生，并恢復其腸道菌群組成，進一步證實了腸道菌群在炎癥反應中的作用。將C5^ΔVav小鼠與Rag1基因敲除小鼠（T和B細胞缺失）雜交，構建了C5^ΔVav /RagKO小鼠。結果發現，C5^ΔVav/RagKO小鼠表現出更嚴重的腸道炎癥和全身炎癥，這表明腸道炎癥的發生不依賴于獲得性免疫系統，而是由先天性免疫系統缺陷驅動。為了進一步驗證這一結論，研究人員將Rag1基因敲除小鼠的先天性免疫細胞移植到C5^ΔVav小鼠體內，結果發現移植了野生型細胞的C5^ΔVav小鼠腸道炎癥得到緩解，而移植了C5^ΔVav小鼠來源的細胞的C5^ΔVav小鼠腸道炎癥并未改善。此外，研究人員還發現移植野生型巨噬細胞能夠有效緩解C5^ΔVav小鼠的腸道炎癥，這表明巨噬細胞在維持腸道穩態中發揮著重要作用。

CRP levels in the serum, LPCN-2 faecal levels and histopathology score together with representative H&E images of the ileum of clodronate liposomes depleted 4-week-old animals followed by wild-type (MNPWT) or C5ΔVav (MNPKO) transplantation.

ARPC5缺失導致巨噬細胞形態發生改變。WT 與 Arpc5?/? BMDM 肌動蛋白骨架圖像及細胞面積、圓度定量，細胞面積減小，細胞圓度增加，這表明ARPC5缺失影響了巨噬細胞的肌動蛋白骨架結構。E. coli pHrodo 顆粒吞噬指數顯示和實時成像顯示吞噬時肌動蛋白動態（青）與 E. coli（洋紅），ARPC5缺失的巨噬細胞吞噬細菌的能力和殺菌能力均顯著降低，這估計是導致腸道菌群失衡和炎癥反應的重要原因。

總之，本研究證明Arp2/3復合體亞基5：ARPC5（而非同源亞基ARPC5L），是造血系統維持回腸穩態的決定因子；其缺失導致斷奶后菌群侵入，觸發局限于回腸的急性炎癥，并放大為全身性炎癥反應，開創了肌動蛋白-區域黏膜免疫的研究。ARPC5缺失先改變菌群組成（Clostridia增多、Bacteroidia減少），繼而因巨噬細胞吞噬殺菌雙重功能缺陷，導致菌群失調；菌群是驅動后續腸炎及脾腫大的始動因素，為解釋相關患兒早發IBD提供了直接因果證據。骨髓移植、Rag?/?背景回輸及CD115^?單核吞噬細胞定向Transfer實驗一致表明，僅回輸野生型巨噬細胞即可逆轉ARPC5缺失鼠的回腸炎癥、系統炎癥和菌群失衡，確認缺陷定位于先天性免疫；結果不僅闡明病理機制，也為ARPC5突變患者行造血干細胞移植治療提供了理論與實驗基礎。這項研究為理解ARPC5相關免疫缺陷和腸道疾病提供了新的見解，并為潛在的治療策略提供了線索靶點。

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原始文獻：

Luiz Ricardo C. Vasconcellos et al., Branched actin networks mediate macrophage-dependent host-microbiota homeostasis. Science390,728-734(2025).DOI:10.1126/science.adr9571