共生微生物组通过诱导角质形成细胞HIF-1α 信号传导和谷氨酰胺代谢促进毛囊再生
Commensal microbiome promotes hair follicle regeneration by inducing keratinocyte HIF-1α signaling and glutamine metabolism
Article，-01-04，Science Advances， [IF 14.957]
DOI：10.1126/sciadv.abo7555
原文链接：/doi/10.1126/sciadv.abo7555
第一作者：Gaofeng Wang (王高峰)
通讯作者：Gaofeng Wang (王高峰)；Luis A. Garza
合作作者：Evan Sweren；William Andrews；Yue Li；Junjun Chen；Yingchao Xue；Eric Wier；Martin P. Alphonse；Li Luo；Yong Miao；Ruosi Chen；Dongqiang Zeng；Sam Lee；Ang Li；Erika Dare；Dongwon Kim；Nathan K. Archer；Sashank K. Reddy；Linda Resar；Zhiqi Hu；Elizabeth A. Grice；Maureen A. Kane
主要单位：南方医科大学南方医院(Department of Plastic and Aesthetic Surgery, Nanfang Hospital of Southern Medical University, Guangzhou, Guangdong Province 510515, China)
约翰霍普金斯大学(Department of Dermatology, Johns Hopkins University School of Medicine, Baltimore, MD 21210, USA)
美国马里兰大学(Department of Pharmaceutical Sciences, School of Pharmacy Mass Spectrometry Center, University of Maryland, Baltimore, MD 21201, USA)
韩国东西大学(Department of Bio-Chemical Engineering, Dongseo University, Busan, Republic of Korea)
美国宾夕法尼亚大学(Department of Dermatology and Microbiology, Perelman School of Medicine, University of Pennsylvania, Philadelphia, PA 19104, USA)
- 摘要 -
组织损伤诱导干细胞的代谢变化，这可能调节再生。本研究中，作者使用伤口诱导毛囊新生(WIHN)的器官再生模型，确定了皮肤常驻细菌是角质形成细胞代谢的关键调节剂，以及细菌负荷，谷氨酰胺代谢和再生之间的正相关关系。具体来说，作者通过在鼠皮肤中进行综合的多组分析和单细胞RNA测序，证明了细菌诱导的缺氧会驱动角质形成细胞中谷氨酰胺代谢的增加，并伴随皮肤和毛囊再生的增强。在人类皮肤伤口中，局部广谱抗生素可抑制谷氨酰胺的产生，并部分导致再生减少。该研究揭示了在一个保守的和连贯的生理环境，细菌诱导的代谢变化在提高干细胞对损伤的耐受性并增强其再生能力方面的重要作用，确定了小鼠和人类皮肤微生物组可以通过代谢进行再生性调节，为促进损伤后的再生提供了重要的方法。
- 引言 -
微生物组在体内平衡组织的维持，愈合和再生中起着重要作用。研究表明，在病理条件和创伤中，共生微生物群会改变宿主的代谢。例如，当暴露在电离辐射下时，肠道细菌毛螺菌科和肠球菌科可以促进丙酸和色氨酸代谢，改善宿主造血功能并修复肠道损伤。同样，在移植研究中，年轻小鼠的肠道微生物组通过增加厚壁菌和毛螺菌以及促进丁酸代谢来增强老年受体小鼠的肠道健康。在皮肤中，皮肤微生物对于宿主的代谢调节也是必不可少的。然而，微生物组对损伤修复过程中代谢功能的影响尚未得到很好的研究。
我们先前已经证明，共生微生物组对皮肤再生具有积极作用，特别是通过IL-1β信号传导。当皮肤损伤引起炎症时，免疫细胞(主要是巨噬细胞)释放IL-1β以刺激伤口诱导的毛囊新生(WIHN)。角质形成细胞在炎性皮肤病或创伤中也表达高水平的IL-1β。然而，角质形成细胞在这些不同条件下产生IL-1β的机制尚不清楚，也不清楚代谢改变是否可能引起IL-1β的释放。
谷氨酰胺是转录和产生IL-1β的重要代谢产物。此外，由哺乳动物雷帕霉素复合物靶2 (mTORC2)调节的谷氨酰胺代谢对于在生长期动员后重新填充毛囊干细胞 (HFSCs)具有重要作用。同样，先前的研究表明，谷氨酰胺是毛囊的重要能量来源。因此，谷氨酰胺代谢可能通过促进毛囊新生信号的产生和直接激活HFSCs而成为毛囊再生的纽带。然而，谷氨酰胺是否具有更多的促炎或抗炎作用存在歧义。同样，微生物组、谷氨酰胺和损伤后再生之间的确切机制尚不清楚。
我们假设皮肤常驻细菌可能通过在伤口中产生局部缺氧而将谷氨酰胺与皮肤和毛囊再生联系起来。例如，金黄色葡萄球菌通过缺氧诱导因子-1α (HIF-1α)信号传导诱导角质形成细胞IL-1β的产生。HIF-1α信号在组织缺氧维持微环境稳态，尤其是能量代谢的调节中起着重要的调节作用。局部氧浓度可直接影响干细胞的自我更新和分化。造血干细胞，神经干细胞和人胎盘细胞滋养层细胞受益于低氧环境。缺氧促进干细胞(包括HFSCs)的长期保存和维持。在增殖和代谢活动过程中，金黄色葡萄球菌通过消耗微环境中的营养物质和氧气来促进缺氧，这表明皮肤菌群可以调节新陈代谢以促进再生的途径。
我们的目标是将这些不同的不连接的元素统一到一个连贯的生理模型中，以测试代谢在微生物组促进小鼠和人类再生中的作用。为此，我们使用空间代谢组学和生物信息学系统地筛选了不同细菌负荷下的伤口微环境。我们发现谷氨酰胺代谢与细菌负荷呈正相关。我们还证明，金黄色葡萄球菌通过诱导组织缺氧来激活HIF-1α信号，并伴随着角质形成细胞谷氨酰胺代谢的增加和IL-1β的产生以促进再生。此外，共生细菌的减少降低了人类受试者的谷氨酰胺水平并延缓了伤口愈合。总的来说，这些未被重视的发现表明皮肤菌群诱导的保守生殖代谢程序具有重要的治疗意义。
- 结果 -
细菌通过角质形成细胞依赖性IL-1β-MyD88刺激WIHN
Bacteria stimulate WIHN through keratinocyte-dependent IL-1β–MyD88
我们先前的研究使用了六个皮肤微生物梯度模型来显示皮肤微生物促进WIHN。通过筛选5个顶级小鼠皮肤共生微生物，我们发现金黄色葡萄球菌具有最强的促进WIHN的能力; 因此，我们以金黄色葡萄球菌为代表的共生微生物进一步研究机制。细菌负荷以剂量响应的方式与WIHN相关。与标准实验室特异性无病原体(SPF)小鼠相比，无菌(GF)小鼠的WIHN较低，而用金黄色葡萄球菌处理的SPF小鼠的WIHN较高(图S1A)。在金黄色葡萄球菌治疗的伤口中，β-catenin和毛囊再生和HFSCs的Krt15-markers分别在结痂脱离第0天(SD0)显着增加，与此同时毛囊开始再生(图S1B)。分类学分析证实，在GF、SPF和金黄色葡萄球菌处理的小鼠伤口床中细菌的相对丰度分别增加，并且显著增加(图S1C)。与SPF对照小鼠不同，葡萄球菌是金黄色葡萄球菌处理的小鼠中最常见的细菌菌株，其他细菌的百分比大多低于SPF小鼠，表明外源性金黄色葡萄球菌抑制其他细菌 (图S1D)。我们还证实了IL-1β-/-小鼠再生不良，并且这不能通过金黄色葡萄球菌治疗来挽救(图S1，G-H)。最后，我们验证了我们先前的发现，K14-Myd88-/-小鼠表现出比野生型(WT)小鼠显著更低的再生，并且同样对金黄色葡萄球菌无反应 (图S1，I-J)。分类学分析表明，K14-Myd88−/−和IL-1β−/−小鼠伤口床中细菌的相对丰度显著低于WT小鼠，这表明一个有趣的宿主-共生的串扰(图S1E)。葡萄球菌在WT小鼠伤口床中显著更高，而假单胞菌是K14-Myd88-/-和IL-1β-/-小鼠伤口床中的优势细菌(图S1F)。
图S1细菌通过角质形成细胞依赖性IL-1β-Myd88和16s-rRNA基因测序促进WIHN，证实了细菌丰度的预期变化。
(A) 共聚焦扫描激光显微镜检测不同处理小鼠的再生毛囊；(B) 金黄色葡萄球菌处理小鼠的β-连环蛋白(左上)和Krt15(右上)结痂脱离第0天(SD0)的免疫荧光；(C-D) GF、SPF和金黄色葡萄球菌感染小鼠皮肤样本中所有物种(C)和单个属(D)的16S rRNA基因序列属水平分类的相对丰度；(E-F) C57BL/6J (WT)小鼠、K14-Myd88-/-小鼠和IL-1β-/-小鼠皮肤样品中所有物种(E)和单个属(F)的16S rRNA基因序列属水平分类的相对丰度；(G-H) IL-1β-/-小鼠的WIHN显著低于WT小鼠(G)，并且不是由金黄色葡萄球菌(H)诱导的；(I-J) K14–Myd88-/-小鼠的WIHN显著低于WT小鼠(I)，并且不是由金黄色葡萄球菌(J)诱导的；(K) GF，SPF，PBS处理和金黄色葡萄球菌处理的小鼠在WD5和SD0的H&E染色。
细菌通过谷氨酰胺代谢诱导角质形成细胞IL-1β 的产生
Bacteria induce keratinocyte IL-1β production via glutamine metabolism
GO分析不同微生物负荷的小鼠伤口中的不同代谢评分，最明显上调的代谢途径是谷氨酰胺代谢。并且，谷氨酰胺酶(Gls)在高WIHN(SPF小鼠和金葡菌处理小鼠)小鼠中表达更高，并且与皮肤细菌负荷呈正相关(图1A-C)。基因集富集分析 (GSEA)也证实，谷氨酰胺和谷氨酸代谢在高细菌负载和高再生的小鼠的受伤皮肤中高度表达(图1D-E)。质谱分析发现在WD5(创伤第5天)和SD0(痂开始剥离)期间，高细菌负荷和高WIHN的小鼠中，谷氨酰胺和谷氨酸水平均更高。
图1 细菌诱导伤口床谷氨酰胺代谢。
(A) GO分析不同微生物负荷的小鼠伤口中的不同代谢评分; (B) 不同处理小鼠的谷氨酰胺和谷氨酸基因微阵列特征; (C) qRT-PCR 检测痂分离起始时的Gls and Gls2的表达量；(D)＆(E) 不同处理小鼠的谷氨酰胺和谷氨酸代谢的基因集富集分析；(F) 不同处理小鼠伤口床谷氨酰胺和谷氨酸代谢物的丰度质谱成像。
与此同时，在毛囊再生开始时收集了小鼠伤口蛋白，并通过酶联免疫吸附试验 (ELISA)检测到谷氨酸在高WIHN小鼠中高度表达(图2A)。谷氨酰胺可以促进小鼠角质形成细胞中IL-1β mRNA的表达(图2B)。用乳糖酶脱氢酶抑制剂(FX11) 或葡萄糖氧化抑制剂(UK5099)处理的角质形成细胞没有显着降低IL-1β水平，但是谷氨酰胺抑制剂(CB8399)不仅抑制了小鼠角质形成细胞IL-1β蛋白的表达和释放，还抑制了金葡菌诱导的IL-1β蛋白的产生(图2C)。在体内中存在着同样的现象(图2D)。在人类角质形成细胞中，CB839也可以抑制IL-1β的产生(图2E)。在人体伤口给予凡士林或局部抗生素治疗后，收集愈合组织转录组分析发现谷氨酰胺代谢在受伤的皮肤中也被高度诱导，而抗生素降低了伤口床中谷氨酰胺代谢基因的表达(图2F)。质谱成像分析也发现在抗生素处理的人体伤口床中谷氨酰胺和谷氨酸水平降低(图2G-H)。
图2 细菌通过谷氨酰胺代谢诱导角质形成细胞IL-1β产生。
(A) ELISA检测，SD0时不同处理GF和SPF小鼠的谷氨酸表达；(B) 小鼠角质形成细胞经谷氨酰胺、CB839和金葡菌处理后IL-1β的mRNA表达；(C) 乳糖酶脱氢酶抑制剂 (FX11) 、葡萄糖氧化抑制剂(UK5099) 、CB839、谷氨酰胺、金黄色葡萄球菌和金黄色葡萄球菌上清液处理角质形成细胞后的上清液中IL-1β的水平；(D) 金黄色葡萄球菌和CB839处理的小鼠伤后第5天(WD5)伤口床组织中IL-1β的表达；(E) 金黄色葡萄球菌和CB839处理人角质形成细胞后IL-1β的免疫荧光；(F) 未受伤和WD15后人皮肤微阵列中的代谢基因特征；(G)＆(H) 凡士林处理和局部抗生素处理后的人WD15伤口床组织中的谷氨酰胺和谷氨酸的质谱成像。
谷氨酰胺代谢在体外诱导干细胞标志物和再生信号的表达
Glutamine metabolism induces the expression of stem cell markers and regenerative signaling in vitro
通过CB839处理小鼠角质形成细胞，发现CB839抑制再生信号Wnt7b和Shh以及干细胞标记Krt15，并在角质形成细胞中诱导终末分化标记Krt1 的增高(图3A)。但CB839不抑制Myd88-/-和IL-1β-/-小鼠角质形成细胞中的Wnt7b和Krt15(图3B)。CB839抑制人角质形成细胞中活性β-catenin和Krt15的蛋白表达，但诱导Krt1的蛋白表达(图3C)。在添加小鼠重组IL-1β(rmIl-1β)可以扭转Wnt7b和Shh的抑制和CB839在小鼠角质形成细胞中对Krt1的促进(图3D)。
图3 谷氨酰胺代谢在体外诱导干细胞标志物和再生信号的表达。
(A) CB839处理的小鼠角质形成细胞再生标记物、干细胞标记物和分化标记物mRNA的表达；(B) Wnt7b和Krt15 mRNA在CB839处理的Myd88-/-和Il-1β-/-MKC中的表达；(C) CB839处理人角质形成细胞Krt15、Krt1的免疫荧光；(D) CB839和小鼠rmIl-1β处理的角质形成细胞Shh，Wnt7b和Krt1 mRNA的表达。
谷氨酸在WIHN的基线和细菌诱导模型中是必不可少的
Glutamate is required for baseline and bacteria-induced WIHN.
我们进一步的探讨了谷氨酰胺代谢对体内毛囊再生的影响。通过在创面处添加外源性谷氨酰胺的方法诱导谷氨酸的产生，进而促进毛囊再生；而CB839则抑制了WIHN的进程(图4A-B)。接下来，我们通过使用FX11、UK5099和CB839，证明了细菌促进毛囊再生主要依赖的是谷氨酰胺代谢通路(图4C-F)。同时还利用多种敲基因小鼠，证实了谷氨酰胺代谢对WIHN的促进是角质形成细胞依赖性的(图4G)。
图4 谷氨酸在WIHN的基线和细菌诱导模型中是必不可少的。
(A-B) 谷氨酰胺和CB839处理对WIHN的影响；(C-F) 使用FX11、UK5099和CB839处理小鼠后，WIHN的评估及谷氨酸和Il-1β的定量；(G) 谷氨酰胺处理或未处理的WT、Il-1β−/−、K14-Myd88−/−和LysM-Myd88−/−小鼠的WIHN。
金黄色葡萄球菌通过缺氧诱导的HIF-1α信号传导刺激谷氨酰胺代谢、IL-1β产生和WIHN
S. aureusstimulates glutamine metabolism, IL-1β production, and WIHN through hypoxia-induced HIF-1α signaling.
紧接着，我们继续探究细菌促进谷氨酰胺代谢的机制。既往研究表明，细菌负荷的增加，特别是金黄色葡萄球菌，可以导致皮肤缺氧。另有研究表明，缺氧诱导的HIF-1α信号通路可以促进谷氨酰胺代谢和IL-1β合成。通过对不同细菌负荷下的人与小鼠伤口缺氧状态的基因集富集分析，发现大多数缺氧相关基因在高再生的伤口表达(图5A-C)。接着我们在体外利用CB839、2%氧含量(低氧)的条件处理角质形成细胞，发现CB839抑制了IL-1β的表达(图5D)。而外源性添加谷氨酰胺能够逆转这一现象，同时还介导了缺氧诱导因子HIF-1α诱导IL-1β的产生(图5D-G)。这些结果表明，缺氧通过HIF-1α信号通路诱导谷氨酰胺代谢，进而诱导IL-1β的产生和再生信号。此外，我们使用沉默HIF-1α的方法，验证了金葡菌诱导WIHN主要是通过制造缺氧环境促进HIF-1α激活的途径(图5H-J)。
图5 细菌通过缺氧诱导的HIF信号刺激谷氨酰胺代谢和IL-1β的产生。
(A-B) 不同处理条件的SD0小鼠和人的GSEA和缺氧基因的相关mRNA；(C-H)不同处理条件下，MKC上清液中HIF-1α、IL-1β、谷氨酸的含量以及MKC中相关基因的mRNA的表达；(I) 金葡菌及HIF-1α的抑制剂(LW6)处理过的小鼠的WIHN；(J) 金葡菌及LW6处理小鼠SD0伤口床上清液中谷氨酸和IL-1β的表达情况。
WIHN期间角质形成细胞中的缺氧和谷氨酰胺代谢
Hypoxia and glutamine metabolism in keratinocytes during WIHN.
利用公共数据库对正常皮肤，小伤口，大伤口中心(WIHN)和大伤口外围(non-WIHN)的细胞进行标记分成角质形成细胞、成纤维细胞、免疫细胞、内皮细胞和外周细胞 (图S6A)。并研究了WIHN(伤口中心)和非WIHN(伤口外围)微环境中角质形成细胞与其他细胞之间的不同相互作用。我们发现WIHN的细胞间通讯强度大于非WIHN，特别是对于细胞间生长因子 (图S6B)。通过对伤口分离的角质形成细胞分析发现，其缺氧，氧化磷酸化以及谷氨酰胺和谷氨酸代谢的得分显着高于从正常皮肤分离的角质形成细胞(图S6C)。并且发现在角质形成细胞中，低氧评分与IL-1信号评分呈正相关 (图S6D)。以及WIHN中角质形成细胞高度表达蛋白质合成和线粒体代谢途径，非WIHN角质形成细胞高度表达细胞外基质合成途径(图S6E)。因为WIHN是一个动态过程，我们使用拟时序分析重建了角质形成细胞的发育轨迹(图S6F)。我们发现在大型伤口中，尤其是在伤口中心(WIHN)，角质形成细胞集中在早期发育阶段，干细胞潜力强；而在小伤口(非WIHN)中，角质形成细胞集中在发育后期，干细胞潜力较弱(图S6F-G)。还发现发育早期的细胞高度表达p53、细胞周期、谷胱甘肽代谢和HIF1信号(图S6H)。此外，干细胞和发育标记(图S6I)和缺氧相关基因(图S6J)也随假时间而降低。
图S6 WIHN期间角质形成细胞中的缺氧和谷氨酰胺代谢。
(A) t-SNE图显示公共数据库中的正常皮肤，第8天小伤口(SWD8)，第14天小伤口(SWD14)，第14天大伤口中心(LWD14中心)和第14天大伤口外周(LWD14-外周)的细胞分群。箭头表示角质形成细胞。右侧的图描述了每个总体的典型标记；(B) 细胞在LWD14中心的相互作用，特别是与生长因子的相互作用，线条越粗表示交互越多；(C) PCA方法计算的缺氧、氧化磷酸化以及谷氨酰胺和谷氨酸代谢评分；(D) IL-1信号与缺氧评分之间的Spearman系数；(E) 小鼠DEG的基因本体(GO)富集分析；(F) 拟时序分析大伤口(高WIHN)和小伤口(非WIHN)的角质形成细胞的分化程度；(G) 角质形成细胞基底标志物的热图显示；(H) GO分析角质形成细胞的相关信号及代谢通路；(I-J) 拟时序分析角质形成细胞干细胞标记物、发育信号和缺氧信号。
WIHN毛囊发育过程中的缺氧和谷氨酰胺代谢
Hypoxia and glutamine metabolism during hair follicle development in WIHN.
接下来，我们收集了毛囊再生前的伤口床组织(SD0)进行测序，对伤口中心和外围的细胞进行了定义分簇(图6A-B)。并发现伤口中心不同细胞类型之间的相互作用比周围更多，特别是各种细胞和角质形成细胞之间的通信(图6C)。我们列出了起源于或影响各种细胞的信号来探索细胞之间的通信信号，发现作用于角质形成细胞的整体IL-6信号在伤口的中心比在外围明显更强(图6D，红色箭头)。通过对角质细胞聚类分析发现，伤口中心的角质形成细胞与外围的角质形成细胞聚集在一起，使用缺氧相关基因集进行聚类时，二者几乎没有重叠，表明缺氧基因表达特征是中枢角质形成细胞与外周角质形成细胞的主要区别(图6E)。对中心和外周角质形成细胞间差异表达基因(DEGs)的富集分析表明，HIF-1信号、碳代谢信号、谷胱甘肽代谢和氨基酸生物合成在中心高度表达(图6F)。中心的角质形成细胞具有更高的缺氧、谷氨酰胺代谢和IL-1信号评分(图6G)。而且，缺氧评分与IL-1信号评分呈正相关(图6H)。因为伤口中心的角质形成细胞是再生毛囊的上皮成分的来源，对其分析发现，与具有高谷氨酰胺代谢的角质形成细胞具有更强的5′-三磷酸腺苷合成、mRNA和蛋白质合成途径，这是毛囊发育所必需的(图6I)。低谷氨酰胺代谢的角质形成细胞具有更强的细胞外基质形成，细胞间粘附和细胞连接，这是形成疤痕组织所必需的，并且可能抑制WIHN(图6I)。
图6 WIHN伤口中心与周围的缺氧和谷氨酰胺代谢升高。
(A-B) WT小鼠SD0伤口中心(high-WIHN，A)和SD0伤口外围(non-WIHN，B)的t-SNE图；(C) 细胞通讯算法检测SD0处的伤口中心(顶部)或外围(底部)中的细胞相互作用的总数；(D) IL-6和IL-1的特定细胞-细胞相互作用模式(左)，伤口中心和外围的每个细胞类型的特定输入信号在SD0 (右)；(E) SD0角质形成细胞的所有基因表达谱(顶部) 或仅由缺氧基因表达谱(底部)聚集的t-SNE图；(F) 伤口中心与周围角质形成细胞的GO富集分析；(G) 通过PCA方法在角质形成细胞中比较伤口中心与伤口周围的缺氧，谷氨酰胺和谷氨酸代谢以及IL-1信号传导的评分；(H) 用Spearman相关性分析角质形成细胞IL-1信号评分与缺氧评分的相关性，伤口中心和周围的分数分别以红色和蓝色显示；(I) 与谷氨酸评分低(右)的伤口中心角质形成细胞的GO富集分析(左)。
为了探索不同角质形成细胞亚型的命运，我们分析聚集在伤口中心的角质形成细胞，现将其分为六种亚型后再使用标记如Krt17、Lef1、Krt79和Sox9来标记(毛基质)HG角质形成细胞和Col17a1、Cox-2和Ube2c来标记基础和增殖的角质形成细胞(图7 A-D)。HG角质形成细胞的缺氧，谷氨酰胺和谷氨酸代谢以及IL-1信号传导明显高于其他角质形成细胞(图7E)。接下来，我们使用拟时序分析计算了角质形成细胞的分化状态来阐明表皮分化背景下基底细胞的不同状态来完善一个动态过程的WIHN(图7 F-G)。随着拟时序的进展，标志基因从干细胞标记转变为成熟标记(图7H)。HG标记的表达逐渐增加(图7 H-I)。我们将HG的发育阶段分为六个递增阶段: A到F(图7J)。随着HG细胞的发育，缺氧和谷氨酸的代谢呈整体上升趋势(图7K)。IL-1信号也有所增加; 然而，葡萄糖代谢没有明显变化(图7K)。
图7 缺氧和谷氨酰胺代谢与WIHN的毛囊发育相关。
(A) SD0样品中伤口中心每个簇中的角质形成细胞标记基因的热图。(B) SD0伤口中心角质形成细胞亚群聚集的t-SNE图。(C) SD0伤口的H&E，Col17a1，Cox-2，Ube2c和Krt17染色，以确定basal1、basal2，增殖和毛基质(HG)角质形成细胞的位置。(D) 表达HG标记基因以鉴定t-SNE图中的HG簇。(E) 角质形成细胞亚群中缺氧，谷氨酰胺和谷氨酸代谢以及IL-1信号传导的评分。(F-G) 拟时序分析绘制基底，棘突，增殖和HG角质形成细胞的发育模式。(H) 拟时序分化标记的热图。(I) 按角质形成细胞亚群划分的HG标记Krt17，Krt79和Sox9丰度的拟时序图。(J) 拟时序分析根据发育顺序将所有角质形成细胞(顶部)和HG(底部)分为六个阶段; 不同的阶段由标记为A至F的不同颜色表示。(K) 缺氧，谷氨酰胺和谷氨酸代谢的基因表达评分，以及按HG发育阶段划分的IL-1信号通路。
- 讨论 -
本研究通过在鼠皮肤中进行综合的多组分析和单细胞RNA测序以及在人类皮肤伤口中局部应用广谱抗生素明确了细菌负荷，谷氨酰胺代谢和再生之间的正相关关系。使用WIHN器官再生模型，确定了皮肤常驻细菌是角质形成细胞代谢的关键调节剂，细菌诱导的缺氧会驱动角质形成细胞中谷氨酰胺代谢的增加，并伴随皮肤和毛囊再生的增强。而在人类皮肤伤口中，局部广谱抗生素可抑制谷氨酰胺的产生，并部分导致愈合减少。这说明细菌诱导的代谢变化可以提高干细胞对损伤的耐受性并增强其再生能力。本研究还明确了所讨论的模型中不同缺氧水平的起源，发现因为细菌的定植SPF小鼠在伤口比GF小鼠有更多的缺氧并解释了为什么不同小鼠品系具有与WIHN对应不同伤口的缺氧水平。最终得出了皮肤共生微生物组通过诱导角质形成细胞HIF-1α 信号传导导致缺氧最终加强伤口床中谷氨酰胺代谢进而促进毛囊再生的结论。
接下来，继续探索某些细菌是否可能比其他细菌诱导或抑制更多的缺氧以增强或抑制再生，以及金黄色葡萄球菌和缺氧与其他促进WIHN的信号(例如IL-6和其他代谢途径)之间更详细的机制，并在未来的关键工作集中测试这些机制是否可以解释人类缺乏清晰的WIHN成为我们工作的重心。本研究提示的，在伤口期帮助伤口床缺氧、重新考虑在伤口床不使用局部抗菌剂或在伤口床添加谷氨酸或IL-1β均可以促进伤口愈合的现象可能会为数百万患有急性和慢性伤口的患者带来更好的、更精确的治疗方法。
参考文献
Gaofeng Wang, Evan Sweren, William Andrews, Yue Li, Junjun Chen, Yingchao Xue, Eric Wier, Martin P Alphonse, Li Luo, Yong Miao, Ruosi Chen, Dongqiang Zeng, Sam Lee, Ang Li, Erika Dare, Dongwon Kim, Nathan K Archer, Sashank K Reddy, Linda Resar, Zhiqi Hu, Elizabeth A Grice, Maureen A Kane, Luis A Garza ().Commensal microbiome promotes hair follicle regeneration by inducing keratinocyte HIF-1α signaling and glutamine metabolism.Science Advances, doi：10.1126/sciadv.abo7555
- 作者简介 -
第一和共同通讯作者
南方医科大学南方医院
王高峰
教授
第一作者和共同通讯作者：王高峰，南方医科大学南方医院整形外科教授，博士生导师，博士后合作导师；南方医科大学珠江医院整形外科双聘教授。在美国Johns Hopkins School of Medicine从事Research Fellow工作4年。具有丰富的基础生物实验，流行病学研究，生物大数据以及转录组，微生物组，代谢组，免疫组等多组学分析经验。目前以以第一作者或共同第一作者发表SCI论文5篇，分别为①Cell Host& Microbe (; IF: 31.0; 1区; 配发Nature Reviews Microbiology， Cell Host& Microbe, Science Signaling评论)；②Science Advances (; IF: 15.0; 1区); ③JAMA Dermatology (; IF: 11.3; 1区; 封面文章); ④Journal of Investigative Dermatology(; IF:8.6; 1区; 配发JID专刊评论); ⑤Journal of Dermatology (; IF: 4.0; 2区)。
通讯作者
约翰霍普金斯医学院
Luis Garza
教授
Luis Garza，约翰霍普金斯医学院皮肤科，教授，主要从事皮肤系统模型的基础生物学的研究，并在医学中做出转化以及从事非编码内源性dsRNA如何在早期损伤的背景下维持干细胞干性并促进再生/毛囊附属物器官发生的研究。至今已在国际主流刊物Cell host & microbe, Science advances, Nature Communications, Cell Stem Cell，JID等刊物发表学术论文60余篇。
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