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編譯：小范兒，編輯：小菌菌、江舜堯。

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1 粘液的結(jié)構(gòu)與組織

粘蛋白是一個大型，復(fù)雜的糖基化蛋白家族，其特征是一個重要的元素“粘蛋白結(jié)構(gòu)域”。由一個蛋白質(zhì)核心組成，該蛋白質(zhì)核心由含有脯氨酸（Pro），蘇氨酸（Thr）和絲氨酸（Ser）氨基酸殘基的序列組成，稱為富含PTS的序列，通常串聯(lián)在一起重復(fù)，其中Ser和Thr廣泛地被O-糖基化，賦予類似“瓶刷”的構(gòu)象（圖1）。氨基酸Pro可以確保粘蛋白的結(jié)構(gòu)在高爾基體中保持未折疊狀態(tài)，允許O-糖基化過程（所有化學(xué)步驟均在圖1和2中進(jìn)行了詳細(xì)說明），粘蛋白質(zhì)量的80％以上是由O-聚糖和O-糖基化組成的糖基化是影響粘蛋白的主要修飾形式和類型。O-糖基化是一個重要的過程，除了賦予結(jié)合和可溶于水以及形成凝膠的能力外，它還允許創(chuàng)建聚糖涂層，隱藏粘蛋白的蛋白核心并保護(hù)其免受內(nèi)源性蛋白酶降解。糖基化沿著消化道的不同區(qū)域以及在個體之間是不同的，這取決于糖基轉(zhuǎn)移酶的表達(dá)，健康或疾病的狀態(tài)以及微生物定植。然而，已經(jīng)表明，在人的大腸遠(yuǎn)端部分中的個體之間聚糖是均勻的。此外，在健康個體中，觀察到MUC2 O-糖基化分布在定性和定量上也是均勻的。最后，粘蛋白可以分為兩種不同的類型：跨膜粘蛋白和形成凝膠的粘蛋白。

圖1 MUC2的化學(xué)結(jié)構(gòu)和腸內(nèi)黏液的合成。

MUC2的特定結(jié)構(gòu)包括不同的步驟，這些步驟涉及添加由肽基-GalNAc轉(zhuǎn)移酶進(jìn)行的第一個糖基化反應(yīng)，該步驟將第一個糖N-乙酰半乳糖胺（GalNAc）殘基添加到PTS序列的Ser和Thr中。隨后用例如GalNAc，半乳糖，N-乙酰氨基葡萄糖（GlcNAc），N-乙酰神經(jīng)氨酸（NeuAc）和硫酸根基團(tuán)延長O-聚糖鏈的延伸和分支。腸上皮細(xì)胞表面的跨膜粘蛋白插圖。脯氨酸，絲氨酸，絲氨酸；蘇氨酸，蘇氨酸。

圖2 粘液在小腸和大腸中的產(chǎn)生和分布

代表小腸和大腸中粘液層的類型（內(nèi)粘液層和外粘液層）。鑒定在杯狀細(xì)胞中產(chǎn)生粘液及其在管腔中的分泌和擴(kuò)增的步驟（從1到7）。首先，MUC2單體在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)（ER）中形成二聚體，然后在高爾基體中被O-糖基化，而在跨高爾基體網(wǎng)絡(luò)（TGN）中，MUC2粘蛋白二聚體形成三聚體，該三聚體堆積在分泌小泡內(nèi)。粘液分泌是一個復(fù)雜的過程。當(dāng)杯狀細(xì)胞從隱窩底部遷移時，其杯狀細(xì)胞充滿Muc2，并含有其他成分，例如IgG結(jié)合蛋白（FCGBP）的Fc片段，氯通道附件1（CLCA1），酶原顆粒蛋白16（ZG16）和前梯度同源物2（AGR2）。分泌囊泡與杯狀細(xì)胞的頂膜融合后，通過胞吐作用擠出其內(nèi)容物，從而允許粘液分泌。最后，由于囊性纖維化跨膜電導(dǎo)調(diào)節(jié)劑（CFTR）通道可使粘蛋白形成，因此必須將包裝好的粘蛋白暴露于多種因素下，例如pH，Ca + 2濃度和碳酸氫根離子（HCO3-）的變化。通過擴(kuò)大體積至100-1000倍并結(jié)合水來形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

1.1 跨膜黏蛋白

跨膜粘蛋白被合成并附著在腸上皮細(xì)胞的細(xì)胞膜上，覆蓋在其根尖表面(圖1和圖2)。它們的特征是N端胞外結(jié)構(gòu)域，一個或多個粘蛋白結(jié)構(gòu)域，跨膜結(jié)構(gòu)域和C端胞質(zhì)尾，其磷酸化位點(diǎn)參與細(xì)胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)（圖1）。在不同的粘蛋白中，MUC1/3/4/12/13/15/17/20和21在腸道的不同位置被發(fā)現(xiàn)(圖3)。MUC3/ 12/17的N端胞外粘蛋白結(jié)構(gòu)域從腸細(xì)胞微絨毛的尖端進(jìn)入腸腔約1μm，表明它們參與腸細(xì)胞的密集糖基化糖蛋白復(fù)合物的形成。MUC3/4/12/13和17始終表達(dá)，而MUC1和MUC16僅在對癌癥和感染的反應(yīng)中上調(diào)。這些粘蛋白不促進(jìn)黏液凝膠的形成，它們的主要功能是保護(hù)細(xì)胞。它們可能是腔環(huán)境的傳感器，并參與宿主與微生物的相互作用。需要進(jìn)一步了解其特定功能以及腸道中其他可能類型的存在。

圖3 小鼠和人類腸道內(nèi)黏液的厚度和黏液的類型。

描述黏液的類型和黏液厚度在小鼠和人類胃腸道的不同部分，以及他們的具體角色。

1.2 形成凝膠的粘蛋白

形成凝膠的粘蛋白（具有凝膠狀特性）是由杯狀細(xì)胞（圖2）分泌和合成的，杯狀細(xì)胞的數(shù)量比小腸絨毛和結(jié)腸上部的隱窩中的杯狀細(xì)胞數(shù)量多（圖2和3）。在形成凝膠的粘蛋白中，MUC6在布魯納氏腺的十二指腸中表達(dá)，MUC5B在結(jié)腸中表達(dá)較弱，而粘蛋白2（MUC2 / Muc2）是胃腸道中分泌最多的粘蛋白。值得注意的是，在下文中，粘蛋白在指人類（即MUC2）時以大寫形式表示，而對于動物，只有首字母大寫（即Muc2）。MUC2是腸粘液的主要成分，存在于小腸和大腸中并形成粘液骨架（圖1），但如圖3所示，也有僅在胃腸道特定位置表達(dá)的特定粘蛋白。值得注意的是，腸道粘液的主要成分MUC2粘蛋白的生物合成非常復(fù)雜，并且包括圖1和圖2中詳述的幾個步驟。

杯狀細(xì)胞用Muc2填充其分泌囊泡，同時從隱窩底部遷移，并包含其他粘液成分，例如IgG結(jié)合蛋白的Fc片段，氯通道附件1，酶原顆粒蛋白16和前梯度同源物。分泌小泡與根尖膜融合后通過胞吐作用將其內(nèi)容物擠出。分泌后，為了使包裹的粘蛋白適當(dāng)膨脹，有必要將粘蛋白暴露在pH值升高和鈣濃度降低的環(huán)境中。碳酸氫根離子（HCO3-）參與該過程，并由囊性纖維化跨膜提供電導(dǎo)調(diào)節(jié)劑通道，通過結(jié)合水并形成保護(hù)性屏障，使包裝的粘蛋白形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，體積膨脹100-1000倍（圖2）。

1.3 小腸和大腸的區(qū)別

在人體中，杯狀細(xì)胞與腸上皮細(xì)胞的比例沿腸道變化，據(jù)估計，杯狀細(xì)胞在腸上皮中的比例約為十二指腸的4%，空腸的6%，回腸的12%，遠(yuǎn)端結(jié)腸的16%(圖2和圖3)。這種逐漸的變化可以用以下事實(shí)解釋：沿著腸道，杯狀細(xì)胞的比例隨著微生物數(shù)量的增加而成比例地增加。在小腸中，粘液分泌在隱窩中，并且MUC2粘蛋白在分泌后錨定到杯狀細(xì)胞中，為了使其分離，蛋白酶meprinβ的干預(yù)是必需的，其本身在細(xì)菌暴露的控制下釋放（圖2）。此外，粘液是未附著的，在實(shí)驗(yàn)上很容易去除（即容易吸出）并形成不連續(xù)的層。

它也相對多孔允許不同成分和細(xì)菌穿透。然而，在生理情況下，除了絨毛尖端或分節(jié)絲狀細(xì)菌(SFB)外，沒有細(xì)菌與腸上皮細(xì)胞接觸。值得一提的是，粘液厚度沿小腸的不同部分變化，但也取決于所考慮的物種。盡管在動物中，文獻(xiàn)中提供的數(shù)據(jù)仍然有限并且存在一些差異，但據(jù)建議，在小鼠中估計的總粘液厚度在十二指腸中約為500μm，在空腸中約為250μm，在回腸中約為200μm，在大鼠中，十二指腸約170μm，空腸約124μm，回腸約480μm（圖2和圖3）。關(guān)于人類小腸的粘液厚度，考慮到在體內(nèi)難以獲得這些測量值，尚無可用的研究；因此，需要進(jìn)行進(jìn)一步的研究以獲得真實(shí)的情況。

在大腸中，黏液組織在兩層：內(nèi)層和外層(圖2)。雖然觀察到它們的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)幾乎相同，但它們之間存在顯著差異。內(nèi)黏液層不斷被MUC2黏液蛋白填充，錨定在杯狀細(xì)胞上，并附著在上皮上。由于它在平面上的組織，一個放在另一個下面，形成一個層狀的內(nèi)部黏液層，因此具有分層的外觀(圖2)。在小鼠模型中，我們可以看到，細(xì)菌無法穿透內(nèi)部黏液層，因?yàn)樗目紫洞笮】梢钥s小到0.5 mmol。在距上皮一定距離處（小鼠約為50μm，人類約為200μm），內(nèi)黏液被內(nèi)源蛋白酶轉(zhuǎn)化為外黏液層，形成了將兩者分開的清晰邊界（圖2）。外部粘液層體積膨脹四倍，保持網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)并避免由于二硫鍵而使粘液凝膠溶解。這種轉(zhuǎn)化似乎取決于宿主而不是細(xì)菌，因?yàn)闊o菌（GF）小鼠還具有外部粘液層。但是，細(xì)菌也可能對此有所貢獻(xiàn)。此外，與內(nèi)部黏液層相比，外部黏液層是非附著的(也稱為“松散的”黏液)，因此易于吸液，易溶于離液鹽氯化胍鹽中，并且外部邊界不太明確。此外，它具有較大的毛孔，因此可滲透直徑最大為0.5μm的細(xì)菌或孢子，是共生細(xì)菌的棲息地。

就像在小腸中一樣，在結(jié)腸中粘液的位置也不同。一項(xiàng)最新的嚙齒動物研究表明，近端結(jié)腸和遠(yuǎn)端結(jié)腸之間的粘液組織存在差異。實(shí)際上，已經(jīng)顯示出粘液附著在糞便顆粒上并且在遠(yuǎn)端結(jié)腸的上皮表面上不存在。此外，厚度也是可變的，不僅取決于結(jié)腸段，也取決于考慮的動物種類(圖3)，還根據(jù)分泌和降解率之間的平衡不同。而且，據(jù)估計，外黏液層的厚度是內(nèi)黏液層的兩倍，而且似乎內(nèi)黏液層的厚度是隨時間保持不變的。

在人類結(jié)腸中，由于手術(shù)切除的標(biāo)本，黏液的厚度也被測量出來，然而，正如已經(jīng)指出的小腸，在動物模型和人類模型中，對大腸黏液層厚度的研究都有很大的局限性。綜上所述，需要強(qiáng)調(diào)的是，大多數(shù)觀察結(jié)果都是在動物模型或體外人類細(xì)胞中獲得的，這進(jìn)一步引發(fā)了一個邏輯問題:“這是在體內(nèi)實(shí)際發(fā)生的事情嗎?”因此，很難將這些數(shù)據(jù)推廣到所有人群。最后，有人提出，當(dāng)飲食中缺乏特定的膳食纖維時，黏液降解細(xì)菌的比例會增加，這意味著在缺乏這些膳食成分的情況下，黏液可能會成為腸道微生物群的能量來源。雖然這已經(jīng)非常復(fù)雜，但我們不能排除影響腸道粘液的其他重要粘蛋白、成分和過程仍有待發(fā)現(xiàn)。

2 粘液轉(zhuǎn)化和降解

腸道黏液層的轉(zhuǎn)化包括黏液的合成、分泌和降解，這是一個需要調(diào)控和平衡的精細(xì)過程，以確保黏液保持最佳的保護(hù)功能。它在大腸和小腸之間是不同的，實(shí)際上，在上腸道中，隱窩的杯狀細(xì)胞中的Muc2粘蛋白的轉(zhuǎn)化比絨毛和結(jié)腸中的慢，其表面杯狀細(xì)胞不斷分泌內(nèi)部粘液結(jié)腸隱窩上部的杯狀細(xì)胞會在壓力刺激下分泌粘液。在活的鼠的遠(yuǎn)端結(jié)腸組織中，有人建議每隔1-2小時對內(nèi)黏液層進(jìn)行更新。此外，估計人的自發(fā)粘液生長約為240μm/小時，而小鼠約為100μm/小時。粘液降解通常是由于蠕動的機(jī)械剪切力造成的物理破壞和微生物酶的酶解，之后黏液隨腸道內(nèi)容物運(yùn)往直腸，最終隨糞便排出。在結(jié)腸中，外黏液層的MUC2轉(zhuǎn)化使細(xì)菌能夠降解粘蛋白多糖。

3 粘液的作用

腸道黏液層在保護(hù)腸道免受機(jī)械、化學(xué)和生物攻擊方面起主要作用，并有助于維持腸道內(nèi)穩(wěn)態(tài)。它在腸道細(xì)胞上形成一層保護(hù)層，保護(hù)它們免受外部有毒物質(zhì)、消化酶和細(xì)菌的侵襲。粘液的重要保護(hù)功能突出于它持續(xù)向消化道的分泌:大約每天10升。

粘蛋白聚糖結(jié)合水的能力賦予粘液保濕和潤滑性能，在上皮內(nèi)含物和蠕動力傳遞過程中保護(hù)上皮細(xì)胞免于脫水和機(jī)械應(yīng)力。此外，粘液還可以作為表面清潔劑，通過以下方式清除碎屑和細(xì)菌：除其他功能外，腸粘液層還形成了擴(kuò)散屏障，其中小分子（例如離子，水，營養(yǎng)物和氣體）可以很容易地通過它擴(kuò)散并到達(dá)腸上皮細(xì)胞。粘液的保護(hù)功能也歸因于其與免疫系統(tǒng)的協(xié)同作用。事實(shí)上，黏液是先天腸粘膜屏障的一部分，通過參與減少抗原和細(xì)菌暴露于腸上皮細(xì)胞下的免疫系統(tǒng)，因此成為針對可能有害化合物的免疫防御的第一線。幾項(xiàng)研究表明，由于粘液層具有聚糖，它們也具有直接的免疫學(xué)作用，這種聚糖能夠通過在后者上發(fā)現(xiàn)的凝集素樣蛋白直接與免疫細(xì)胞結(jié)合。此外，MUC2粘蛋白增強(qiáng)腸的穩(wěn)態(tài)和口服耐受性，影響樹突狀細(xì)胞和腸上皮細(xì)胞，而MUC2受體復(fù)合物抑制樹突狀細(xì)胞中的炎癥反應(yīng)。

黏液層在與腸道菌群的相互作用中起著重要作用，提供營養(yǎng)物質(zhì)和附著位點(diǎn)。小腸和大腸的粘液保護(hù)功能不同。第一種情況是，粘液形成大孔隙，細(xì)菌和其他成分可以穿透，但盡管如此，在正常情況下，細(xì)菌和上皮細(xì)胞的接觸是有限的。事實(shí)上，黏液的持續(xù)基礎(chǔ)分泌形成流向管腔的流動，再加上抗菌劑(如溶菌酶DMBT1、IgA、防御素、REG3酶和磷脂酶A2-IIA)的協(xié)同作用，使細(xì)菌遠(yuǎn)離上皮表面。這些抗菌藥物由隱窩底部的Paneth細(xì)胞和腸上皮細(xì)胞分泌，與分泌的粘液混合，被保留并通過粘液擴(kuò)散，避免快速稀釋而流入腸腔。此外，它們擴(kuò)散緩慢，形成一個抗菌擴(kuò)散梯度，其濃度從上皮細(xì)胞到腸腔下降。相比之下，在結(jié)腸，內(nèi)部黏液層實(shí)際上是對抗細(xì)菌的第一道防線，形成一個大小的過濾屏障，將細(xì)菌從上皮細(xì)胞和免疫系統(tǒng)中分離出來。這種分離已在人類的活檢標(biāo)本中顯示出來。

4 粘液和腸道菌群的雙向作用

腸道微生物群在腸道中分布的梯度沿其路徑變化;事實(shí)上，微生物密度從腸道的近端到遠(yuǎn)端都在增加，每克腸道內(nèi)容物中微生物細(xì)胞的數(shù)量如下:十二指腸10³，空腸10⁴，回腸10⁷，結(jié)腸10¹²。此外，微生物密度從上皮細(xì)胞向管腔方向增加，在管腔中發(fā)現(xiàn)的細(xì)菌數(shù)量最多，與管腔相比，確實(shí)很少有細(xì)菌種類能很好地適應(yīng)黏液層并駐留在粘液層中。除了這一重要的黏附功能外，腸道微生物群對調(diào)節(jié)腸道黏液層有重要作用。該觀察的最初證據(jù)來自在GF小鼠中進(jìn)行的研究。例如，腸道微生物群是形成適當(dāng)黏液層的基礎(chǔ)，而且GF小鼠的黏液與常規(guī)飼養(yǎng)(Convr)小鼠的黏液不同。首先，在GF小鼠中，填充的杯狀細(xì)胞數(shù)量較少，小腸粘液被錨定在杯狀細(xì)胞上，無法通過實(shí)驗(yàn)將其吸出。

如前所述，要從小腸釋放粘液，需要meprinβ酶的作用，而這又需要激活腸道菌群，而粘液分離是維持小腸動態(tài)平衡的重要步驟。此外，與Convr小鼠相比，結(jié)腸內(nèi)黏液層更薄，細(xì)菌可穿透。甚至糖基化譜在兩組小鼠之間也存在差異，最明顯的GF黏液差異是2種三糖核和2種單唾液酰化的2核異構(gòu)體。此外，細(xì)菌產(chǎn)物可能參與這些過程，因?yàn)橹嗵?/strong>(LPS)和肽聚糖刺激GF小鼠的粘液分泌，并在與傳統(tǒng)飼養(yǎng)動物相似的程度上恢復(fù)粘液特性。綜上所述，這些研究發(fā)現(xiàn)，小腸和大腸中的保護(hù)性黏液依賴于細(xì)菌或其成分和代謝物的存在來成熟和發(fā)展其適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)。

雖然這些數(shù)據(jù)很有趣，但仍有許多問題沒有得到解答。例如，“腸道菌群和相關(guān)化合物以哪種確切的方式有助于形成適當(dāng)?shù)恼骋簩樱?/span>”“ meprin-β激活是獨(dú)特的機(jī)制，還是我們還需要發(fā)現(xiàn)其他潛在的機(jī)制？”在這種情況下，另一個非常重要的問題是“是否有特定的腸道菌群組成或特定的獨(dú)特細(xì)菌負(fù)責(zé)這些影響?”這些關(guān)鍵問題需要進(jìn)一步研究，以充分了解腸道微生物群及其相關(guān)分子如何影響腸道粘液的形成和降解。

4.1 腸道菌群的組成影響粘液的性質(zhì)

腸道菌群組成在影響腸道粘液中起著關(guān)鍵作用，這一事實(shí)在一項(xiàng)研究中得到了很好的說明，比較了基因相同但被安置在同一動物設(shè)施不同房間的兩組老鼠。研究人員發(fā)現(xiàn)，盡管這些老鼠擁有相同的遺傳背景，但在不同的房間飼養(yǎng)它們與不同的腸道菌群組成有關(guān)，因此，在腸道粘液屬性方面存在一些差異。特別是，研究人員發(fā)現(xiàn)一個菌落有一個結(jié)腸黏液層，細(xì)菌或有細(xì)菌大小的孢子無法穿透，而另一個菌落則相反。他們證明，這種差異可以歸因于腸道菌群的組成，因?yàn)轲ひ旱男再|(zhì)是在將盲腸菌群移植到GF小鼠后傳播的。在這一階段，他們的研究表明，一些細(xì)菌(如Erysipelotrichi class, Allobaculum)能夠更好地誘導(dǎo)內(nèi)黏液層的不可穿透性，而其他菌門(如Proteobacteria和TM7)則具有相反的作用。

在這一重要的觀察之后，關(guān)鍵問題之一可能是“腸道菌群影響?zhàn)ひ航M成的機(jī)制是什么?”一個可能的答案是糖基轉(zhuǎn)移酶的表達(dá)模式。的確，特定細(xì)菌的存在和數(shù)量塑造黏液的糖基輪廓，并與許多糖基轉(zhuǎn)移酶直接相關(guān)，在腸道微生物群存在時，糖基轉(zhuǎn)移酶的水平會增加。例如，已經(jīng)觀察到一些細(xì)菌能夠誘導(dǎo)宿主巖藻糖基轉(zhuǎn)移酶的表達(dá)，所述宿主巖藻糖基轉(zhuǎn)移酶在α-1，2位添加L-巖藻糖和唾液酸轉(zhuǎn)移酶。此外，宿主細(xì)菌群落能夠影響MUC2糖基化和跨膜粘蛋白的糖基化。

5 腸道菌群的組成從粘膜到管腔側(cè)各不相同

正如人類和小鼠所觀察到的那樣，腸道微生物群的組成會發(fā)生從黏膜到腔/糞便側(cè)的變化。眾所周知，管腔和粘膜相關(guān)菌群是不同的生態(tài)系統(tǒng)，具有不同的微生物多樣性和組成以及不同的代謝和免疫功能。在人類和小鼠身上都顯示出許多因素影響腸道內(nèi)的細(xì)菌分布。其中，我們可以提到飲食、氧梯度、黏液、抗菌劑、微生物粘附和宿主免疫系統(tǒng)可能是最重要的。特別是腸道氧和營養(yǎng)物質(zhì)的分布都能影響糞便和粘膜附著菌群的腸道菌群組成，說明氧可以促進(jìn)或阻礙上皮表面附近的一些微生物的生長。

5.1 粘膜相關(guān)菌群

腸道粘液層為腸道菌群提供一個自然的生物選擇性棲息地，由于黏液多糖的存在，被稱為“黏液相關(guān)微生物”的特殊微生物能夠存活，黏液多糖作為細(xì)菌的附著位點(diǎn)，促進(jìn)細(xì)菌的定植。腸道菌群領(lǐng)域的主要警告之一是，與糞便腸道菌群相比，粘膜菌群的確切組成仍然缺乏研究。然而，一些研究表明，一般而言，在人類和嚙齒動物中，黏液層的厚壁菌門的豐度要高于擬桿菌門。也有研究表明，粘膜側(cè)富含Lachnospiraceae、Ruminococcaceae、Bifidobacterium Bifidobacterium longum和Verrucomicrobia門(以黏液Akkermansia muciniphila為代表)。特別是在人類中，觀察到Lachnospiraceae、Enterobacteriaceae、Bacteroides、rectale Eubacterium、Faecalibacterium prausnitzii、Eubacterium cylindroides、Clostridium histolyticum、Clostridium lituseburense和A. muciniphila的存在，而在小鼠中觀察到SFB、Lactobacillus spp和A. muciniphila。

但是，在結(jié)腸的外層或內(nèi)層中存在的腸道菌群的組成也存在特定差異。實(shí)際上，已經(jīng)表明結(jié)腸外粘液層被降解粘蛋白的細(xì)菌例如酸性擬桿菌（Bacteroides acidifaciens）（在小鼠中），脆弱擬桿菌（Bacteroides fragilis），雙歧桿菌科和A. muciniphila（在小鼠和人類中）定殖。盡管現(xiàn)有的假設(shè)是，在健康的個體中，結(jié)腸內(nèi)黏液層沒有細(xì)菌，但正如在健康小鼠和人類中觀察到的那樣，一些細(xì)菌能夠穿透黏液并與結(jié)腸隱窩相聯(lián)系。研究表明，與結(jié)腸隱窩相關(guān)的菌群主要以不動桿菌為主，通常富含變形桿菌。此外，最近在小鼠和人類中的研究表明，糞便和內(nèi)部粘液細(xì)菌組成之間存在著巨大差異。與糞便樣品相比，內(nèi)部粘液層的特征在于包含20％–60％變形桿菌的群落，擬桿菌的減少和更高水平的物種（α）-多樣性。最后，認(rèn)為與粘膜相關(guān)的細(xì)菌促進(jìn)粘液分泌并最終增加粘液層厚度。

5.2 粘液-腸道菌群相互作用

一些影響?zhàn)ひ簩又刑囟?xì)菌存在的因素取決于后者的化學(xué)性質(zhì)。事實(shí)上，已經(jīng)觀察到粘蛋白糖基化譜能夠影響?zhàn)ひ合嚓P(guān)細(xì)菌的組成，選擇特定的菌種，而且粘蛋白o -聚糖促進(jìn)宿主微生物的內(nèi)穩(wěn)態(tài)。分泌型和跨膜黏蛋白均提供微生物的聚糖結(jié)合成分的相互作用和附著位點(diǎn)。微生物的黏液結(jié)合能力決定了其在黏液中的定殖能力，因此重要的是增加定殖時間。考慮到每個菌種都有一個核心微生物群，而且不同菌種之間的多糖分布也不相同，這表明只有特定的細(xì)菌粘附素才能在特定宿主體內(nèi)適應(yīng)。事實(shí)上，細(xì)菌黏附會影響腸道微生物群的組成，比如在小腸中，幽門螺桿菌和SFB能夠附著在上皮表面并定植，附著在宿主聚糖上。細(xì)菌可以通過外膜蛋白，凝集素，粘附素，膠囊和附屬物（如菌毛，鞭毛和菌毛）相互作用并粘附于粘液和上皮表面聚糖。

除了提供附著位點(diǎn)外，粘蛋白聚糖還可以作為微生物（所謂的“粘液溶解細(xì)菌”）的營養(yǎng)物質(zhì)，有利于它們的復(fù)制。細(xì)菌能夠通過其糖苷酶（也稱為聚糖降解酶）消化聚糖，通常是外切糖苷酶類型，每次去除一個糖殘基。有研究表明，高達(dá)40%的細(xì)菌基因組編碼這些酶。并非所有細(xì)菌都具有去除所有粘蛋白聚糖所需的所有酶，但是只有少數(shù)幾種可以被認(rèn)為是粘液溶解專家（例如，A. muciniphila）。此外，考慮到不同宿主的多糖譜不同，提示只有特定的微生物物種具有能夠在特定宿主中復(fù)制的全部酶，進(jìn)一步證實(shí)宿主對腸道菌群的選擇能力。糖降解酶從粘蛋白多糖鏈的非還原端開始作用，當(dāng)所有的多糖被移除后，粘蛋白的蛋白核心被降解，整個粘蛋白聚合物網(wǎng)絡(luò)最終被溶解。該過程有助于MUC2粘蛋白和粘液降解。在粘蛋白降解所需的特定酶中，有糖苷水解酶（例如唾液酸酶，巖藻糖苷酶，外切-β-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶和內(nèi)切-β-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶，β-半乳糖苷酶，α-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶，α-N-乙酰半乳糖胺酶），硫酸酯酶和蛋白酶，屬于碳水化合物活性酶類別。這些酶以聚糖為能源時，會在發(fā)酵過程中產(chǎn)生短鏈脂肪酸（乙酸和丁酸），然后被吸收并由結(jié)腸細(xì)胞用于回收昂貴的合成和分泌MUC2粘蛋白所花費(fèi)的部分能量，進(jìn)一步證實(shí)了宿主與腸道菌群之間的相互關(guān)系。已經(jīng)提出，在降解粘蛋白的細(xì)菌中，主要有A. muciniphila, Bacteroides thetaiotaomicron,Bifidobacterium bifidum, Bacteroides fragilis, Ruminococcus gnavus andRuminococcus torques?？紤]到黏液降解菌是腸道菌群的主要能量來源，認(rèn)為當(dāng)膳食中不含纖維多糖時，黏液降解菌的比例會增加。事實(shí)上，一些細(xì)菌能夠根據(jù)可利用的營養(yǎng)類型調(diào)整它們的營養(yǎng)偏好，從粘蛋白聚糖到膳食碳水化合物。例如，對于人類結(jié)腸厭氧菌，其主要能源以可發(fā)酵的碳水化合物為代表，包括在飲食微生物可及的碳水化合物（MACs）類別中，這意味著宿主酶未消化但被微生物利用的碳水化合物作為能源。因此，MACs可能來自多種飲食來源，包括不可消化的食用植物成分，也包括食源性微生物，但必須由微生物群代謝。值得注意的是，人類消耗的纖維素不是由腸道微生物代謝的，也不是合格的“MACs”。在食物限制或飲食中缺乏MAC的情況下，這些細(xì)菌變得依賴于以粘蛋白聚糖為代表的宿主來源的內(nèi)源性MAC。B. taiotaomicron就是一個例子，考慮到其根據(jù)養(yǎng)分的利用率改變其碳水化合物捕獲能力以容納宿主多糖的能力，然而，這與黏液降解細(xì)菌A . muciniphila形成對比，這種細(xì)菌在高脂肪飲食和缺乏纖維的飲食中含量較低。此外，考慮到黏液降解是保護(hù)屏障維持的一個因素，一些黏液降解細(xì)菌在健康受試者中增加，與黏液厚度恢復(fù)有關(guān)，問題是“為什么有些黏液降解細(xì)菌對維持黏液有益，而另一些則是有害的?”很可能還有其他隱藏的機(jī)制需要我們?nèi)グl(fā)現(xiàn)。最后，細(xì)菌不僅可以利用多糖作為能量來源，還可以形成新的聚合物，用作細(xì)胞外膠囊。通過這種方式，一些細(xì)菌可以修改它們的膠囊成分，促進(jìn)逃避到免疫系統(tǒng)。

5.3 黏液層上的共生細(xì)菌和致病菌

共生菌和致病菌都能降解和利用粘蛋白多糖作為能量源和附著位點(diǎn)，促進(jìn)其復(fù)制和定植，但致病菌也能引起感染。在正常情況下，有一些機(jī)制可以避免病原體的入侵和感染。例如，腸道上皮細(xì)胞可以通過與微生物(如模式識別受體)存在的特定分子模式來區(qū)分共生菌群和致病性菌群，這些微生物能夠激活導(dǎo)致炎癥反應(yīng)的特定途徑以應(yīng)對病原體的入侵。此外，有益細(xì)菌可以通過增加黏液的產(chǎn)生和占據(jù)黏液上可用的結(jié)合位點(diǎn)來阻止病原體的粘附，保護(hù)機(jī)體免受病原體的入侵。另一種保護(hù)機(jī)制是黏液的粘性和鞭毛蛋白的免疫原性所導(dǎo)致的限制運(yùn)動性。然而，在某些情況下，病原菌會降解并穿透保護(hù)性粘液層，隨后粘附并定居在腸上皮細(xì)胞上，從而引起感染。為了定居并感染腸道上皮，致病細(xì)菌需要降解粘液層并滲透到其中。這可能是由于黏液降解蛋白酶、趨化性和鞭毛的存在，它們允許細(xì)菌在黏液內(nèi)移動，以對抗通常將它們推向管腔的黏液流，并粘附在黏液多糖上。病原菌還可改變黏液的pH值，影響?zhàn)ひ旱恼扯?。例如，幽門螺桿菌可以提高pH值，降低粘液的粘彈性，增加粘液的活動性。一些病原細(xì)菌也能夠使用由共生細(xì)菌降解粘蛋白而釋放的產(chǎn)物，例如游離巖藻糖和唾液酸。最后，通過影響粘蛋白的表達(dá)，合成和分泌，改變粘液保護(hù)性屏障功能，可以使腸上皮浸潤。

6 粘液層如何變化以及后果如何

盡管有基礎(chǔ)的、持續(xù)的分泌水平，但腸道粘液層并不是靜止的。相反，本綜述前面討論的過程數(shù)量多得令人難以置信，它們受到許多因素的影響。的確，值得注意的是粘蛋白的合成也在轉(zhuǎn)錄和表觀遺傳水平上受到調(diào)控。例如，轉(zhuǎn)錄因子能夠結(jié)合到MUC2啟動子上的特定位點(diǎn)。許多信號通路被描述為專門針對MUC2的轉(zhuǎn)錄調(diào)控。它們可以與特定細(xì)菌或微生物產(chǎn)物（例如LPS，鞭毛蛋白，脂蛋白酸（LPA），脂肽）連接，并且主要通過激活核因子（NF）-κB起作用，而核因子（NF）-κB已被證明具有MUC2的啟動子結(jié)合位點(diǎn)。同樣，一些炎性標(biāo)記（例如腫瘤壞死因子-α，血清淀粉樣蛋白A3和白介素（IL））也在激活NF-κB途徑并刺激MUC2的轉(zhuǎn)錄（圖4），而JanusKinase的激活具有抑制作用。其他途徑，例如cAMP反應(yīng)元件結(jié)合蛋白和ATF1被絲裂原激活的蛋白激酶和p38激活，并被描述為調(diào)節(jié)MUC2的表達(dá)（圖4）。已經(jīng)顯示幾種IL，例如IL-1β，IL-4，IL-13和L-22參與杯狀細(xì)胞分化和粘蛋白表達(dá)的調(diào)節(jié)。類似的但也有其他非常復(fù)雜的途徑被證明可以被不同的激素、神經(jīng)遞質(zhì)(如，血管活性腸肽、乙酰膽堿)或脂質(zhì)(如，膽汁酸、前列腺素、丁酸鹽)激活，并最終調(diào)節(jié)MUC2的表達(dá)(圖4)。最后，通過研究不同類型的結(jié)腸癌，研究表明表觀遺傳機(jī)制，例如MUC2特定區(qū)域中CpG島的甲基化，DNA甲基化或組蛋白修飾，還有微小RNA有助于MUC2表達(dá)的復(fù)雜調(diào)控。因此，考慮到黏液蛋白的表達(dá)、合成、分泌、降解、糖基化和結(jié)構(gòu)，以及黏液的組成、粘度、厚度和穿透性都可以隨著宿主因素(圖4)和外部因素(如病原體、前/益生菌、飲食、食品添加劑或污染物、抗生素)的變化而改變，這意味著對黏液屏障的調(diào)控是一個非常復(fù)雜的系統(tǒng)，上述因素都可能對黏液層產(chǎn)生正面或負(fù)面的影響。顯然，了解如何調(diào)節(jié)黏液層是至關(guān)重要的。

圖4 調(diào)節(jié)黏液表達(dá)和分泌的主要效應(yīng)子

主要效應(yīng)子（即腸道細(xì)菌，細(xì)胞因子和炎性標(biāo)志物，激素，神經(jīng)遞質(zhì)和生物活性脂質(zhì)），它們作用于特定的外部（細(xì)胞外）和內(nèi)部（細(xì)胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)）信號通路，影響表達(dá)（即基因表達(dá)和合成）和分泌CREB，cAMP響應(yīng)元件（CRE）結(jié)合蛋白；DCA，脫氧膽酸；EGF，表皮生長因子；FXR，法呢類受體X；IL，白介素；JAK，Janus激酶；蛋白；主要黏蛋白MUC2，及其對宿主的影響。JNK，c-Jun-N-末端激酶；LP，脂肽；LPA，脂蛋白酸；LPS，脂多糖；MAPK，促分裂原活化蛋白激酶；SAA，血清淀粉樣蛋白A；STAT，信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和轉(zhuǎn)錄激活劑；TGF-α；轉(zhuǎn)化生長因子α；TLR，前列腺素E2（PGE2）Toll樣受體；TNF，腫瘤壞死因子；VIP，血管活性腸肽。

6.1 粘液層損傷

“粘液層損傷”是指可能發(fā)生以下某些變化的情況：粘液合成，分泌，厚度和粘度降低，粘液降解和滲透性增加以及粘蛋白糖基化特性和粘液組成發(fā)生變化。因此，如許多疾病中所述，允許共生和致病微生物到達(dá)腸道上皮，導(dǎo)致感染和炎癥。

粘液保護(hù)屏障的改變在IBD的發(fā)作中起關(guān)鍵作用，例如克羅恩?。?/span>CD）和潰瘍性結(jié)腸炎（UC）。例如，在缺乏MUC2粘蛋白的小鼠中，結(jié)腸被直接接觸上皮的細(xì)菌侵襲，并向下滲透到隱窩和上皮細(xì)胞。這種細(xì)菌入侵誘發(fā)結(jié)腸免疫系統(tǒng)的反應(yīng)，其特征是炎癥、腹瀉、直腸和結(jié)腸脫垂、直腸出血以及結(jié)腸癌發(fā)展和自發(fā)性結(jié)腸炎的風(fēng)險增加。另一個例子是粘蛋白o -糖基化譜的改變。事實(shí)上，黏液蛋白o -糖基化影響著黏液的性質(zhì)、滲透性以及相關(guān)微生物的組成，對腸道黏液的功能至關(guān)重要。此外，還觀察到粘蛋白o -糖基化在IBD和結(jié)直腸癌中發(fā)生改變。在這種情況下，我們觀察到，在缺乏核心1糖基轉(zhuǎn)移酶的小鼠中，MUC2粘蛋白的o -聚糖更短，降解速度更快，這些小鼠患上嚴(yán)重的結(jié)腸炎。另一項(xiàng)研究表明，除結(jié)腸發(fā)炎外，所有人乙狀結(jié)腸中的MUC2 o -聚糖含量都是一致的。所有這些研究都證明宿主糖基化變化與多種疾病的關(guān)系。

在IBD期間，粘液降解細(xì)菌（例如來自Ruminococcus家族的細(xì)菌）增加，而在UC期間，由于MUC2的產(chǎn)生和分泌減少，結(jié)腸粘液的特征是更薄的一層，以O-改變?yōu)樘卣鞯恼骋航M成發(fā)生變化與活動性炎癥患者的MUC2糖基化相關(guān)，并增加對細(xì)菌的滲透性。已經(jīng)觀察到患者緩解后，MUC2的糖基化恢復(fù)正常。最后，在CD期間，粘液層較厚，表明MUC2表達(dá)增加和杯狀細(xì)胞增生，但由于寡糖鏈長減少50％，MUC2的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，導(dǎo)致粘液粘彈性的喪失因此失去保護(hù)功能。在引起粘液層改變的原因中，我們接下來關(guān)注病理微生物和與營養(yǎng)有關(guān)的一些因素，例如高脂飲食或西式飲食，低纖維飲食和食品添加劑（乳化劑）。

6.2 病態(tài)的微生物

致病性微生物可以通過多種途徑改變腸道粘液層。其中之一是它們降解粘蛋白的能力，如小腸中的霍亂弧菌和藍(lán)氏賈第鞭毛蟲，以及大腸桿菌、組織溶內(nèi)阿米巴原蟲或大腸毛霉菌線蟲產(chǎn)生的蛋白酶(圖5)。通過粘液降解，粘液的厚度減小，并且其滲透性增加。這也使理論上通常無法裂解粘液的微生物感染。此外，某些物種（例如單核細(xì)胞增生性李斯特菌，溶組織性大腸桿菌，巴西尼古拉斯螺旋體和旋毛蟲）會抑制粘液產(chǎn)生并直接或間接調(diào)節(jié)杯狀細(xì)胞功能和粘蛋白表達(dá)（圖5）。腸道對感染的第一反應(yīng)是增加杯狀細(xì)胞和粘液的合成和分泌，目的是趕走微生物，但在慢性感染過程中，粘液分泌過多導(dǎo)致杯狀細(xì)胞減少，導(dǎo)致粘液合成和分泌減少，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激降低，最終導(dǎo)致炎癥。

圖5 特定微生物和微生物代謝產(chǎn)物對粘液的調(diào)節(jié)作用。

概述不同微生物物種，寄生蟲和短鏈脂肪酸（SCFA）對粘液特性，組成或功能的影響。

6.3 飲食

在與黏液層破壞有關(guān)的原因中，飲食成分已顯示出重要的作用。例如，在高脂飼料喂養(yǎng)過程中，黏液產(chǎn)生和分泌受損，破壞屏障物種的富集，Ctfr基因在小鼠回腸腸上皮細(xì)胞中的表達(dá)減少，導(dǎo)致黏液黏度和密度降低，腸道通透性增加。此外，黏液層在代謝紊亂(如肥胖和2型糖尿病)的發(fā)展和存在過程中發(fā)生改變。同樣，西式飲食（WSD）（包含40.5％千卡的脂肪（41％飽和，52％單不飽和），40.5％的碳水化合物（蔗糖18％，玉米淀粉16.0％，麥芽糊精12.0％，纖維素4.0％（w /v））導(dǎo)致腸道菌群組成發(fā)生變化，SCFA產(chǎn)生的減少與結(jié)腸內(nèi)黏液層受損有關(guān)，包括黏液厚度的減少和黏液滲透性的增加(已經(jīng)在WSD后3天)。此外，在以西方生活方式為特征的地區(qū)，UC發(fā)病率增加，進(jìn)一步提示飲食、粘液屏障功能和IBD的相關(guān)性。這些飲食的影響可以用膳食纖維的某種缺乏來解釋，考慮到在無膳食纖維的飲食(或稱膳食MACs)中也出現(xiàn)了同樣的結(jié)果，這與結(jié)腸炎和病原體感染的發(fā)生率增加有關(guān)，而定期食用膳食纖維（實(shí)驗(yàn)室飲食中含有約15％來自最低程度加工谷物和植物的膳食纖維）具有預(yù)防作用，這表明纖維在促進(jìn)保護(hù)性粘液屏障的形成中起著至關(guān)重要的作用。

近年來，一些食品添加劑，如乳化劑，在食品中含量極低(約2%)，已被證實(shí)會引起腸道微生物群組成的改變，并導(dǎo)致黏液層受損。具體來說，這些改變與黏液層厚度的減少和腸道穿透能力的增加有關(guān)，導(dǎo)致保護(hù)性黏液屏障的侵蝕和增加細(xì)菌對上皮的附著。更重要的是，所有這些影響都與腸道炎癥和代謝改變有關(guān)。

7 粘液層增強(qiáng)

在有助于預(yù)防，改善和維持粘液保護(hù)層的治療方法和因素中，我們將簡要介紹以下內(nèi)容：益生菌，下一代有益細(xì)菌以及微生物產(chǎn)品和成分。

7.1 益生菌，下一代有益細(xì)菌和微生物產(chǎn)品

益生菌是一種活的有機(jī)體，如果用量足夠，對宿主的健康有益。可以給宿主帶來健康益處，可能會影響粘液屏障，例如有助于增加粘蛋白基因的表達(dá)，例如粘附的乳酸桿菌屬。能夠刺激人小腸上皮細(xì)胞中MUC3的表達(dá)以及MUC2的產(chǎn)生和分泌。其他的例子包括長雙歧桿菌，在喂食小鼠4周后，添加這種細(xì)菌可以恢復(fù)粘液生長，羅伊氏乳桿菌，表明對小鼠右旋糖酐硫酸鈉的保護(hù)作用，增加粘液層的厚度（圖5）。

最后，另一種改變黏液層的關(guān)鍵細(xì)菌是A. muciniphila。在高脂飲食喂養(yǎng)期間，小鼠的內(nèi)部黏液層比對照組更薄，而在高脂飲食加活的A . muciniphila補(bǔ)充的小鼠中，觀察到相反的效果(即，恢復(fù)黏液層厚度)(圖5)。有趣的是，盡管該細(xì)菌被稱為黏液降解者，但A . muciniphila的補(bǔ)充增加杯狀細(xì)胞的數(shù)量，并產(chǎn)生抗菌肽，如Reg3g和LyZ1。總之，這些發(fā)現(xiàn)表明，A. muciniphila與宿主細(xì)胞溝通，并最終刺激粘液的產(chǎn)生(圖5)。值得注意的是，這種對杯狀細(xì)胞數(shù)量和增強(qiáng)腸道屏障的重要影響也在被巴氏殺菌殺死時被觀察到，但在被高壓滅菌時沒有觀察到。在可能的機(jī)制中，A. muciniphila在其外膜上表達(dá)特異性蛋白，如Amuc_1100蛋白。這種蛋白質(zhì)能抵抗加熱過程并保持活性構(gòu)象。有趣的是，只用這種蛋白質(zhì)而不用細(xì)菌處理的小鼠也復(fù)制了細(xì)菌對杯狀細(xì)胞數(shù)量增加和腸壁屏障增強(qiáng)的作用。值得注意的是，該蛋白結(jié)合并激活TLR2，可能解釋細(xì)菌對免疫調(diào)節(jié)和增強(qiáng)腸道屏障的作用(圖4)。因此，提示不需要觀察細(xì)菌的生存能力就可以觀察到有益的效果?？傊@表明，A. muciniphila對黏液層厚度的調(diào)控可能比這種細(xì)菌對黏液多糖的“簡單”主動降解和利用更復(fù)雜，而且還涉及特定的微生物化合物。有趣的是，除了在嚙齒動物身上獲得的數(shù)據(jù)外，肥胖和2型糖尿病患者的特征也是A. muciniphila含量較低。在第一次對代謝綜合征患者進(jìn)行人工干預(yù)的概念驗(yàn)證中，我們最近證實(shí)，A. muciniphila改善新陳代謝(即，改善胰島素敏感性，降低炎癥)，同時降低血漿LPS水平，增強(qiáng)腸道屏障。

總而言之，這個特定的例子是表明腸道菌群，粘液層/腸屏障和疾病相關(guān)的其他證據(jù)。對于被認(rèn)為是粘液專家的細(xì)菌，A. muciniphila及其成分的例子很明顯。然而，其他細(xì)菌不僅可以通過自身影響粘液，還可以通過特定的產(chǎn)物和成分，如SCFAs、LPSs、鞭毛蛋白和LPA(圖4)。例如，已有研究表明，黏液相關(guān)細(xì)菌通過釋放微生物相關(guān)分子模式(MAMPs)和產(chǎn)生SCFAs，促進(jìn)黏液分泌并增加黏液層厚度。我們還觀察到，SCFAs，如乙酸鹽和丁酸鹽，可以刺激腸上皮細(xì)胞中MUC2的表達(dá)，增加粘液的產(chǎn)生和分泌(圖5)。此外，在細(xì)菌成分中，革蘭氏陰性菌純化鞭毛蛋白、革蘭氏陽性菌純化LPA和LPS均能上調(diào)粘蛋白表達(dá)，后者也能增加杯狀細(xì)胞分泌粘液(圖4)。

8 總結(jié)與評論

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