黏蛋白側(cè)鏈巖藻糖在腸道細(xì)菌與宿主互作過程中的作用

王進(jìn)波 李 楊,2 齊莉莉 喻鵬飛 吳天星,2*

(1.浙江大學(xué)寧波理工學(xué)院，寧波315100；2.浙江大學(xué)化學(xué)系，杭州310027)

黏蛋白側(cè)鏈巖藻糖在腸道細(xì)菌與宿主互作過程中的作用

王進(jìn)波1李 楊1,2齊莉莉1喻鵬飛1吳天星1,2*

(1.浙江大學(xué)寧波理工學(xué)院，寧波315100；2.浙江大學(xué)化學(xué)系，杭州310027)

消化道表面黏液層中含有大量黏蛋白，這些黏蛋白分子側(cè)鏈往往被糖基化修飾，這些糖基在腸道菌的黏附、定植及免疫調(diào)節(jié)過程中發(fā)揮重要作用。巖藻糖是腸道黏蛋白分子側(cè)鏈中的一種重要糖基，本文總結(jié)了巖藻糖作為腸道菌黏附靶位點(diǎn)和信號調(diào)節(jié)分子，以及調(diào)節(jié)腸道功能等方面的作用。

巖藻糖；腸道細(xì)菌；宿主；互作

人和動物腸道中生存著大量微生物，這些微生物的組成、種類十分復(fù)雜。研究表明，人體腸道共生菌種類超過1 000種，十二指腸中細(xì)菌的數(shù)量約為104個(gè)/g，結(jié)腸中細(xì)菌的數(shù)量約為1012個(gè)/g[1-2]。這些共生菌與宿主間存在著復(fù)雜而精細(xì)的互作關(guān)系，參與調(diào)節(jié)機(jī)體生理功能，對于維持機(jī)體的健康具有重要意義[3]。腸道菌群通過與機(jī)體腸道上皮互作，刺激腸道組織發(fā)育，調(diào)節(jié)機(jī)體腸道免疫功能，并可通過機(jī)體腸腦軸和腸肝軸調(diào)節(jié)中樞神經(jīng)系統(tǒng)及肝臟功能[4-5]。近10年來，腸道微生態(tài)與機(jī)體健康的關(guān)系已成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。研究表明，腸道微生物與炎癥性腸病[6-7]、食物過敏[8]、阿爾茨海默病[9]、肝性腦病[10]及肥胖癥[11]等疾病密切相關(guān)。因此，揭示腸道菌群與機(jī)體的互作機(jī)制，對探究上述疾病的發(fā)病機(jī)理及其治療均具有十分積極的意義。

1 腸道菌與腸黏膜上皮互作機(jī)制概述

國內(nèi)外學(xué)者對腸道細(xì)菌與機(jī)體的互作機(jī)制進(jìn)行了較為廣泛的研究。一般認(rèn)為，腸道細(xì)胞可通過模式識別受體(PRRs)與細(xì)菌細(xì)胞壁組成成分相互識別，激活機(jī)體非特異性免疫應(yīng)答反應(yīng)，阻礙腸道細(xì)菌易位，防止其侵染腸道組織[1,12]。細(xì)菌的磷壁酸、肽聚糖、鞭毛蛋白、脂多糖等細(xì)胞壁成分可以被腸黏膜M細(xì)胞上的跨膜受體Toll樣受體(TLRs)、C-型凝集素受體(CLRs)及細(xì)胞漿中的NOD樣受體(NLRs)和RIG-Ⅰ樣受體(RLRs)識別，進(jìn)而刺激樹突狀細(xì)胞成熟，發(fā)揮其抗原呈遞功能，激活腸道免疫應(yīng)答反應(yīng)[13-15]。腸道共生菌通過依賴于髓樣分化因子(MyD88)的信號途徑，調(diào)節(jié)腸道微生態(tài)，維持腸道菌群平衡[16]。研究發(fā)現(xiàn)，有的益生菌也可通過非依賴于MyD88的信號途徑，調(diào)節(jié)腸黏膜細(xì)胞的免疫機(jī)能[17-18]。這些研究結(jié)論揭示了細(xì)菌可通過與腸黏膜細(xì)胞中的相關(guān)受體的識別，激活腸道免疫應(yīng)答反應(yīng)，從而避免腸道中的細(xì)菌易位并侵染機(jī)體。然而，在正常情況下，人體腸道黏膜細(xì)胞會產(chǎn)生并分泌大量黏液，形成黏液層，覆蓋在腸道黏膜細(xì)胞表面，僅有極少數(shù)細(xì)菌能夠通過黏液層，被腸黏膜細(xì)胞的相關(guān)受體識別，調(diào)節(jié)腸黏膜免疫應(yīng)答。絕大多數(shù)細(xì)菌并不與腸黏膜細(xì)胞直接接觸，也就不能通過上述受體而與腸黏膜細(xì)胞互作[19-20]。這提示腸道細(xì)菌在腸道中的黏附與定植存在其他機(jī)制。結(jié)腸黏液層分為內(nèi)層和外層，黏液內(nèi)層與腸黏膜上皮細(xì)胞緊密結(jié)合，不具流動性，厚度為50～100 μm，是結(jié)構(gòu)致密的無菌層；黏液外層位于黏液內(nèi)層的腸腔側(cè)，結(jié)構(gòu)疏松，具有流動性，厚度為100～700 μm，其中有大量細(xì)菌存在(圖1)[21-23]。腸道黏液內(nèi)、外層的主要成分均為糖基化修飾的黏蛋白，其分子中的糖基可為細(xì)菌提供識別、黏附位點(diǎn)并將其限制于疏松的外層。

圖1 人體消化道黏液層Fig.1 The mucus in human digestive tract[21]

2 黏蛋白側(cè)鏈巖藻糖是腸道細(xì)菌的重要黏附靶點(diǎn)

巖藻糖是黏蛋白糖鏈上的重要糖基，占糖基總數(shù)的4%～14%。Abodinar等[24]研究發(fā)現(xiàn)，豬胃黏蛋白分子中巖藻糖占糖基總量的4%。細(xì)菌在消化道的識別、黏附及定植過程中，黏蛋白糖鏈上的巖藻糖基可能發(fā)揮著重要作用[25]。幽門螺桿菌的凝集素BabA能夠識別胃黏膜表面黏蛋白分子中的巖藻糖基，從而黏附到體內(nèi)[21,26]。空腸彎曲桿菌可通過與黏蛋白糖鏈上的巖藻糖基互作，從而黏附、定植到腸黏膜細(xì)胞表面，這可將細(xì)菌限制在腸道黏液層中，防止其易位感染[27]。綠膿桿菌可通過其產(chǎn)生的凝集素LecB，特異性地與巖藻糖基結(jié)合，從而黏附到組織表面[28]。多形擬桿菌可刺激人體腸道黏蛋白的巖藻糖基化修飾，使幼齡動物腸道黏蛋白的唾液酸水平降低，促進(jìn)其腸道組織發(fā)育成熟，從而保護(hù)腸黏膜上皮免受腸道菌群的侵染[29]。Priori等[30]研究發(fā)現(xiàn)，仔豬空腸黏蛋白分子的巖藻糖含量越多，腸致病性大腸桿菌(enterotoxigenicE.coli，ETEC)的黏附率就越高，而且黏蛋白巖藻糖含量與腸絨毛的高度有關(guān)。有研究表明，仔豬腸黏膜組織中α-1,2巖藻糖基轉(zhuǎn)移酶1(α-1,2-fucosyltransferases 1，F(xiàn)UT1)的基因型及其表達(dá)水平與ETEC在腸黏膜上的黏附率密切相關(guān)，這提示仔豬腸道黏蛋白分子中的巖藻糖是ETEC F18的黏附靶點(diǎn)[31]。這些研究表明，巖藻糖基可與致病菌特異性結(jié)合，阻礙細(xì)菌直接接觸腸道組織，從而避免其引起的機(jī)體炎癥反應(yīng)。然而，目前的研究尚未對巖藻糖基在腸道益生菌抑制病原菌定植、侵染過程中的作用機(jī)制進(jìn)行探索。

3 巖藻糖作為信號分子調(diào)節(jié)腸道微生態(tài)

巖藻糖可作為信號分子和細(xì)菌碳源，參與機(jī)體腸道微生態(tài)調(diào)節(jié)[29]。Pacheco等[32]研究發(fā)現(xiàn)，巖藻糖可誘導(dǎo)腸出血性大腸桿菌(enterohemorrhageE.coli，EHEC)的膜受體磷酸化，進(jìn)而抑制EHEC毒力相關(guān)操縱子LEE的激活，從而降低EHEC的致病性。巖藻糖可作為信號分子上調(diào)空腸彎曲桿菌(C.jejuni)flaA啟動子的活性，增強(qiáng)該菌的毒力[25]。沙門氏菌及多形擬桿菌具有較為高效的巖藻糖操縱子，巖藻糖進(jìn)入細(xì)菌體內(nèi)后，誘導(dǎo)巖藻糖降解代謝相關(guān)酶的表達(dá)，從而激活巖藻糖降解途徑，將其作為碳源[33]。巖藻糖可刺激多形擬桿菌產(chǎn)生一種可分泌因子，該因子可刺激腸道細(xì)胞巖藻糖基轉(zhuǎn)移酶(FUT)-2基因的表達(dá)，從而提高黏蛋白糖鏈的巖藻糖基修飾水平[34]?？漳c彎曲桿菌不具備一般細(xì)菌的糖代謝途徑，僅能通過氨基酸或檸檬酸代謝途徑獲得生長所需的碳源，但該菌可將巖藻糖作為碳源，這是該菌唯一能夠利用的碳水化合物[29]。Rodríguez-Díaz等[35]研究發(fā)現(xiàn)，多數(shù)致病菌不產(chǎn)生巖藻糖苷酶，也就不能降解黏蛋白糖鏈上的巖藻糖苷鍵，而雙歧桿菌等益生菌可產(chǎn)生高活性的巖藻糖苷酶，降解糖鏈上的巖藻糖苷鍵，釋放游離的巖藻糖，這提示益生菌可能通過降解產(chǎn)生游離巖藻糖而發(fā)揮其腸道調(diào)節(jié)作用。從上述研究來看，巖藻糖可作為誘導(dǎo)物或碳源物質(zhì)，調(diào)節(jié)腸道菌群平衡，但其作用機(jī)制仍不清楚。巖藻糖對病原菌毒力的調(diào)節(jié)作用尚無一致的結(jié)論，其在益生菌抑制致病菌毒力過程的作用也未見報(bào)道。

4 巖藻糖與腸道疾病密切相關(guān)

黏蛋白糖鏈的巖藻糖基化修飾水平與炎癥性腸病有關(guān)。對北歐相關(guān)病例的基因組分析表明，F(xiàn)UT-2缺陷型與炎癥性腸病的發(fā)生直接相關(guān)[36]，同時(shí)，F(xiàn)UT-2缺陷型個(gè)體腸道菌群的組成也與正常人不同，這提示黏蛋白巖藻糖基可能通過腸道微生態(tài)調(diào)控，直接影響炎癥性腸病的發(fā)生。Morrow等[37]對美國410例早產(chǎn)兒的研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)UT-2缺陷型與新生兒壞死性小腸結(jié)腸炎(NEC)的發(fā)病率、死亡率高度相關(guān)，這說明巖藻糖基在新生兒腸道功能發(fā)育過程中具有十分重要的作用。FUT1是一種重要的FUT，其主要功能是對黏蛋白進(jìn)行巖藻糖基化修飾。Hesselager等[38]對仔豬的研究證明，腸黏膜組織中FUT1的基因型與仔豬的抗感染能力密切相關(guān)。當(dāng)FUT1第307號核苷酸發(fā)生G到A的錯(cuò)義突變時(shí)，仔豬對ETEC的抗感染能力顯著提高[38]。這說明，黏蛋白巖藻糖側(cè)鏈在仔豬抵抗病原菌感染過程中發(fā)揮重要作用。這些研究提示，黏蛋白巖藻糖基對于維持機(jī)體腸道健康具有重要作用，深入解析其作用機(jī)制，對于炎癥性腸病等腸道疾病的診斷、預(yù)防及治療均具有積極意義。

5 小 結(jié)

巖藻糖在腸道細(xì)菌的黏附、定植、免疫調(diào)節(jié)及微生態(tài)平衡過程中發(fā)揮重要作用。因此，從分子、細(xì)胞、組織、個(gè)體等多個(gè)層次研究巖藻糖基在腸道細(xì)菌黏附、定植過程中的作用，深入解析與黏蛋白巖藻糖基相互識別的菌體成分，將進(jìn)一步明確腸道細(xì)菌的黏附機(jī)制。目前，關(guān)于黏蛋白分子中巖藻糖側(cè)鏈與動物腸道健康及腸道菌群的關(guān)系研究報(bào)道較少，深入分析巖藻糖對維持動物腸道健康的重要作用，具有十分重要的理論和實(shí)踐意義，將為利用益生菌預(yù)防、治療動物腸道疾病提供更加明確的依據(jù)。

[1] HATTORI M,TAYLOR T D.The human intestinal microbiome:a new frontier of human biology[J].DNA Research,2009,16(1):1-12.

[2] WATSON A J M,HALL L J.Regulation of host gene expression by gut microbiota[J].Gastroenterology,2013,144(4):841-844.

[3] CHEN X,D，SOUZA R,HONG S T.The role of gut microbiota in the gut-brain axis:current challenges and perspectives[J].Protein & Cell,2013,4(6):403-414.

[4] NICHOLSON J K,HOLMES E,KINROSS J,et al.Host-gut microbiota metabolic interactions[J].Science,2012,336(6086):1262-1267.

[5] BERCIK P,DENOU E,COLLINS J,et al.The intestinal microbiota affect central levels of brain-derived neurotropic factor and behavior in mice[J].Gastroenterology,2011,141(2):599-609.e3.

[6] WERNER T,WAGNER S J,MARTNEZ I,et al.Depletion of luminal iron alters the gut microbiota and prevents Crohn’s disease-like ileitis[J].Gut,2011,60(3):325-333.

[7] BELLAGUARDA E,CHANG E B.IBD and the gut microbiota-from bench to personalized medicine[J].Current Gastroenterology Reports,2015,17:15.

[8] STEFKA A T,FEEHLEY T,TRIPATHI P,et al.Commensal bacteria protect against food allergen sensitization[J].Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America,2014,111(36):13145-13150.

[9] HILL J M,LUKIW W J.Microbial-generated amyloids and Alzheimer’s disease (AD)[J].Frontiers in Aging Neuroscience,2015,7:9.

[10] VICTOR D W Ⅲ,QUIGLEY E M M.Hepatic encephalopathy involves interactions among the microbiota,gut,brain[J].Clinical Gastroenterology and Hepatology,2014,12(6):1009-1011.

[11] NIEUWDORP M,GILIJAMSE P W,PAI N,et al.Role of the microbiome in energy regulation and metabolism[J].Gastroenterology,2014,146(6):1525-1533.

[12] NEISH A S.Microbes in gastrointestinal health and disease[J].Gastroenterology,2009,136(1):65-80.

[13] IVANOV I I,HONDA K.Intestinal commensal microbes as immune modulators[J].Cell Host & Microbe,2012,12(4):496-508.

[14] HEIMESAAT M M,NOGAI A,BERESWILL S,et al.MyD88/TLR9 mediated immunopathology and gut microbiota dynamics in a novel murine model of intestinal graft-versus-host disease[J].Gut,2010,59(8):1079-1087.

[15] ANITHA M,VIJAY-KUMAR M,SITARAMAN S V,et al.Gut microbial products regulate murine gastrointestinal motility via Toll-like receptor 4 signaling[J].Gastroenterology,2012,143(4):1006-1016.e4.

[16] VENTURA M,TURRONI F,MOTHERWAY M O,et al.Host-microbe interactions that facilitate gut colonization by commensal bifidobacteria[J].Trends in Microbiology,2012,20(10):467-476.

[17] GAO Q X,QI L L,WU T X,et al.Clostridiumbutyricumactivates TLR2-mediated MyD88-independent signaling pathway in HT-29 cells[J].Molecular and Cellular Biochemistry,2012,361(1/2):31-37.

[18] GAO Q X,QI L L,WU T X,et al.An important role of interleukin-10 in counteracting excessive immune response in HT-29 cells exposed toClostridiumbutyricum[J].BMC Microbiology,2012,12:100.

[19] VAISHNAVA S,YAMAMOTO M,SEVERSON K M,et al.The antibacterial lectin RegⅢγ promotes the spatial segregation of microbiota and host in the intestine[J].Science,2011,334(6053):255-258.

[20] JOHANSSON M E,PHILLIPSON M,PETERSSON J,et al.The inner of the two Muc2 mucin-dependent mucus layers in colon is devoid of bacteria[J].Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America,2008,105(39):15064-15069.

[21] MCGUCKIN M A,LINDéN S K,SUTTON P,et al.Mucin dynamics and enteric pathogens[J].Nature Reviews Microbiology,2011,9(4):265-278.

[22] JOHANSSON M E,LARSSON J M H,HANSSON G C.The two mucus layers of colon are organized by the MUC2 mucin,whereas the outer layer is a legislator of host-microbial interactions[J].Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America,2011,108(Suppl):4659-4665.

[23] BERGSTROM K S B,KISSOON-SINGH V,GIBSON D L,et al.Muc2 protects against lethal infectious colitis by disassociating pathogenic and commensal bacteria from the colonic mucosa[J].PLoS Pathogens,2010,6(5):e1000902.

[24] ABODINAR A,T?MMERAAS K,RONANDER E,et al.The physicochemical characterisation of pepsin degraded pig gastric mucin[J].International Journal of Biological Macromolecules,2016,87:281-286.

[25] MURAOKA W T,ZHANG Q J.Phenotypic and genotypic evidence forL-fucose utilization byCampylobacterjejuni[J].Journal of Bacteriology,2011,193(5):1065-1075.

[26] AUDFRAY A,VARROT A,IMBERTY A.Bacteria love our sugars:interaction between soluble lectins and human fucosylated glycans,structures,thermodynamics and design of competing glycocompounds[J].Comptes Rendus Chimie,2013,16(5):482-490.

[27] DAY C J,TIRALONGO J,HARTNELL R D,et al.Differential carbohydrate recognition byCampylobacterjejuni strain 11168:influences of temperature and growth conditions[J].PLoS One,2009,4(3):e4927.

[28] JOHANSSON E M V,CRUSZ S A,KOLOMIETS E,et al.Inhibition and dispersion ofPseudomonasaeruginosabiofilms by glycopeptide dendrimers targeting the fucose-specific lectin LecB[J].Chemistry & Biology,2008,15(12):1249-1257.

[29] STAHL M,FRIIS L M,NOTHAFT H,et al.L-fucose utilization providesCampylobacterjejuniwith a competitive advantage[J].Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America,2011,108(17):7194-7199.

[30] PRIORI D,COLOMBO M,KOOPMANS S J,et al.The A0 blood group genotype modifies the jejunal glycomic binding pattern profile of piglets early associated with a simple or complex microbiota[J].Journal of Animal Science,2016,94(2):592-601.

[31] BAO W B,YE L,PAN Z Y,et al.The effect of mutation at M307 inFUT1 gene on susceptibility ofEscherichiacoliF18 and gene expression inSutaipiglets[J].Molecular Biology Reports,2012,39(3):3131-3136.

[32] PACHECO A R,CURTIS M M,RITCHIE J M,et al.Fucose sensing regulates bacterial intestinal colonization[J].Nature,2012,492(7427):113-117.

[33] SCOTT K P,MARTIN J C,CAMPBELL G,et al.Whole-genome transcription profiling reveals genes up-regulated by growth on fucose in the human gut bacterium ‘Roseburiainulinivorans’[J].Journal of Bacteriology,2006,188(12):4340-4349.

[34] MENG D,NEWBURG D S,YOUNG C,et al.Bacterial symbionts induce a FUT2-dependent fucosylated niche on colonic epithelium via ERK and JNK signaling[J].American Journal of Physiology:Gastrointestinal and Liver Physiology,2007,293(4):G780-G787.

[36] MCGOVERN D P B,JONES M R,TAYLOR K D,et al.Fucosyltransferase 2 (FUT2) non-secretor status is associated with Crohn，s disease[J].Human Molecular Genetics,2010,19(17):3468-3476.

[37] MORROW A L,MEINZEN-DERR J,HUANG P W,et al.Fucosyltransferase 2 non-secretor and low secretor status predicts severe outcomes in premature infants[J].The Journal of Pediatrics,2011,158(5):745-751.

[38] HESSELAGER M O,EVEREST-DASS A V,THAYSEN-ANDERSEN M,et al.FUT1 genetic variants impact protein glycosylation of porcine intestinal mucosa[J].Glycobiology,2016,26(6):607-622.

*Corresponding author, professor, E-mail: wutx@nit.net.cn

(責(zé)任編輯 武海龍)

Roles of Side Chain Fucose of Mucin in Interaction between Intestinal Bacteria and Host

WANG Jinbo1LI Yang1,2QI Lili1YU Pengfei1WU Tianxing1,2*

(1.NingboInstituteofTechnology,ZhejiangUniversity,Ningbo315100,China; 2.DepartmentofChemistry,ZhejiangUniversity,Hangzhou310027,China)

There are many kinds of mucins in the mucus of the digestive tract, which are usually glycosylated. The mucin side chain sugar groups play many roles, such as bacteria adhesion, colonization and immunological regulation. Fucose is an important sugar group in the mucin side chains. This paper reviewed the roles of fucose acting as adhesion sites, signaling molecules and regulating intestinal functions.[ChineseJournalofAnimalNutrition, 2017, 29(6)：1831-1835]

fucose; intestinal bacteria; host; interaction

10.3969/j.issn.1006-267x.2017.06.001

2016-12-15

國家自然科學(xué)基金(31272461，31301984)；寧波市科技計(jì)劃項(xiàng)目(2013C11031)

王進(jìn)波(1975—)，男，山東濰坊人，副教授，博士，從事腸道微生物與宿主互作機(jī)制研究。E-mail: wangjb777@126.com

*通信作者:吳天星，教授，博士生導(dǎo)師，E-mail： wutx@nit.net.cn

S811.3

A

1006-267X(2017)06-1831-05