细胞因子对反刍动物瘤胃上皮免疫耐受的调控机制

The immune tolerance of ruminal epithelium to the commensal microorganisms in ruminants is the necessary condition for maintaining the ruminal homeostasis, and furthermre, improving animal performance and ensuring the safety of livestock products. Normally, the changes of factors, such as feeding and development, would induce the changes of structure and metabolites of the ruminal microbiota. Responding to the changes of ruminal microbiota, the ruminal epithelium expresses different kinds of cytokines, such as interleukins, growth factors and chemokines, to maintain its tolerance with the commensal microorganisms. So far, we are not clear about the kinds and regulatory mechanism of these cytokines. In this project, by applying the RNA-seq, we will identify the kinds and then construct the signal pathways of the cytokines involved in the mintenance of tolerance in the ruminal epithelium on the level of whole animal. Furthermore, by applying the tissue culture in vitro and primary cell culture, we will test the regulatory pathways of one or two kinds of cytokines in the maintenance of epithelial tolerance on the level of tissue and cells, separately. This project makes full use of multidisciplinary science between animal physiology and bioinformatics in the study of regulatory mechanism of cytokines to maitain the tolerance of ruminal epithelium. The results made by this project provide the basis to understand the mechanism of health maintenance in the ruminants.

反刍动物瘤胃上皮对其共生微生物的免疫耐受是维持瘤胃稳态，进而提高动物生产性能、确保畜产品安全的必要条件。在正常生理状态下，瘤胃上皮通过表达不同类型的细胞因子，如白细胞介素，生长因子和趋化因子等，来响应因饲喂、发育等因素变化而引起的瘤胃微生物群落结构及其代谢产物的变化，进而维持瘤胃上皮对其共生微生物的免疫耐受。然而目前，我们对此类细胞因子的组成及相应的调控机制尚不清楚。本项目拟通过转录组测序，在整体动物层面鉴定与瘤胃上皮免疫耐受相关的细胞因子种类并构建其相应的信号转导通路。在此基础上，拟通过组织离体培养和原代细胞培养，在组织及细胞层面进一步地验证1-2种细胞因子对瘤胃上皮免疫耐受的调控机制。本项目充分利用反刍动物生理学及生物信息学两学科交叉的优势，探讨细胞因子对反刍动物瘤胃上皮免疫耐受的调控机制，进而为深入研究反刍动物的健康维持体系提供实验依据和理论基础。

项目已按照合同实施并完成.1..我们的实验结果显示，日粮NFC增加引起瘤胃内SCFA 含量升高，pH 下降；同时显著改变了瘤胃微生物的种类和相对丰度。限制性对应分析显示，13个属的相对丰度与SCFA浓度高度相关。该结果证明了日粮NFC通过其在瘤胃中的代谢产物SCFA调节瘤胃微生物群落结构。.2..我们的研究表明，日粮NFC含量从15%增加到30%，有374个基因表达显著上调，478个基因表达显著下调。NFC含量从30%增加到50%， 267个基因表达显著上调，283个基因表达显著下调。我们挑选了11个基因，通过qPCR实验验证高通量测序，线性回归分析显示q-QPCR结果与RNA-seq结果高度一致。.3..我们的研究表明，日粮NFC含量从15%增加到30%，细胞周期、紧密连接、缝隙连接、过氧化物酶体和自噬相关的基因表达被促进，而与内吞相关的基因被增加的SCFA浓度和降低的pH值所抑制。然而， NFC含量从30%增加到50%，与缝隙连接、紧密连接和p53信号通路有关的细胞功能被抑制，然而，它们通过影响相应基因的表达，促进了与溶酶体、自噬和细胞周期有关的细胞功能。.4..我们的研究表明，瘤胃SCFA浓度的增加促进了上皮微生物群落的多样性；同时，它在上皮微生物群落中诱导了机会病原体的共生生活方式。中等浓度的瘤胃SCFAs抑制了不适当的免疫反应，促进了瘤胃上皮的紧密连接和细胞更新。然而，瘤胃SCFA的进一步增加导致瘤胃酸化，导致上皮微生物群落及其基因库的多样性降低。同时，它在上皮微生物群落中诱导了机会性病原体的致病生活方式。此外，瘤胃中的酸性环境导致免疫反应的上调、上皮细胞的过度生长以及瘤胃上皮中紧密连接和缝隙连接通路的下调。.5..日粮-SCFA轴通过促进健康瘤胃上皮微生物群落的多样性和保持瘤胃上皮的完整性，当瘤胃pH较较低时，同过增强山羊的免疫屏障活性来维持宿主瘤胃上皮免疫屏障的稳态。.上述研究成果为研究日粮NFC通过SCFA调节瘤胃上皮免疫耐受的机制提供了理论依据。