腸道菌群對黏蛋白2的影響及其作用機(jī)制

黃則華 曾 悅 黃春蘭

上海交通大學(xué)附屬第一人民醫(yī)院消化科(201620)

黏蛋白2(mucin 2, MUC2)參與組成的腸黏液屏障，是抵御腸道致病菌和外源性有害物質(zhì)入侵的第一道天然屏障，MUC2質(zhì)和量的改變與多種腸道疾病相關(guān)。腸道菌群種類繁多、數(shù)量龐大，菌群之間相互依存、相互制約，共同形成一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡的微生態(tài)系統(tǒng)，維持腸道的正常生理功能。腸道菌群的改變可通過不同作用機(jī)制影響MUC2的質(zhì)和量，從而導(dǎo)致一系列疾病的發(fā)生、發(fā)展。本文就腸道菌群對MUC2的影響及其作用機(jī)制作一綜述。

一、 MUC2的結(jié)構(gòu)、功能及其與腸道疾病的關(guān)系

1. MUC2結(jié)構(gòu)和功能：MUC2是由腸道杯狀細(xì)胞分泌的一種高度糖基化的分泌型黏蛋白，其單體是含有N端氧化糖基化域和C端半胱氨酸富含域的同源寡聚體；MUC2單體經(jīng)二硫鍵(S-S)構(gòu)成二聚體后儲存于腸道杯狀細(xì)胞中；當(dāng)MUC2二聚體釋放入腸道后，可再通過C端的二聚化或N端的三聚化最終形成聚合物，并參與構(gòu)成黏液層的骨架[1-2]。MUC2具有高度糖基化的半胱氨酸殘基，可令其親水性提高，起到潤滑腸黏膜的作用，使小腸的移行運(yùn)動(dòng)復(fù)合波增加，從而有利于將細(xì)菌自小腸運(yùn)輸至結(jié)腸，起到維持小腸相對無菌狀態(tài)的作用。同時(shí)MUC2的此特性亦可使腸道上皮細(xì)胞受到的機(jī)械應(yīng)力減少[3]。MUC2糖基化的程度(主要為O-型寡聚糖鏈)決定了其對腸黏膜的保護(hù)作用。MUC2的寡聚糖鏈結(jié)構(gòu)可給腸道菌群中的益生菌提供生態(tài)位點(diǎn)以黏附結(jié)合，協(xié)助益生菌在腸道內(nèi)定植，發(fā)揮生物屏障作用。同時(shí)該結(jié)構(gòu)亦可為分泌型免疫球蛋白IgA以及抗菌肽等提供結(jié)合位點(diǎn)，輔助腸黏膜的免疫屏障發(fā)揮作用[4]。

2. MUC2與腸道疾病的關(guān)系

①M(fèi)UC2與腸道感染：研究[5-6]表明，與野生型小鼠相比，敲除MUC2基因的小鼠更易發(fā)生由溶組織阿米巴激發(fā)的腸道炎癥反應(yīng)和蠕蟲感染，而在易感蠕蟲的小鼠盲腸黏膜中，則可觀察到MUC2蛋白表達(dá)明顯減少。另有研究[7]顯示，MUC2-/-小鼠感染枸櫞酸桿菌后，相較于野生型小鼠，其黏膜層表面和糞便中的枸櫞酸桿菌含量均增加。上述研究證實(shí)MUC2與腸道黏膜抵御腸內(nèi)有害菌和外源性有害物質(zhì)入侵的能力密切相關(guān)。

②MUC2與炎癥性腸病(IBD)：有研究指出，潰瘍性結(jié)腸炎(UC)患者腸道中MUC2分泌減少，腸道黏液層變薄且不連續(xù)[8]。在杯狀細(xì)胞內(nèi)質(zhì)網(wǎng)內(nèi)可發(fā)現(xiàn)堆積有部分合成或折疊錯(cuò)誤的黏蛋白，可引起內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激，使成熟黏蛋白分泌減少[9]。同時(shí)，在UC患者腸道中還發(fā)現(xiàn)黏蛋白結(jié)構(gòu)改變，主要表現(xiàn)為黏蛋白糖基化減少以及寡糖側(cè)鏈縮短[10]。而在克羅恩病(CD)患者腸道中則發(fā)現(xiàn)MUC2分泌增加，但其寡糖鏈同樣縮短[11]。

③MUC2與結(jié)直腸癌：研究[12]表明，敲除MUC2基因的小鼠有自發(fā)發(fā)展為腸道炎癥、腸道腫瘤的傾向；在結(jié)直腸癌患者的腸道組織中，MUC2的表達(dá)水平呈明顯下降趨勢，且與腫瘤分化、淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移和血管浸潤呈負(fù)相關(guān)。MUC2表達(dá)缺失是結(jié)直腸癌不良結(jié)局的預(yù)測因子之一[13]。

二、腸道菌群對MUC2的影響及其作用機(jī)制

腸道菌群數(shù)量約10萬億個(gè)，是人體細(xì)胞總數(shù)的10倍[14]；腸道內(nèi)的優(yōu)勢菌群與人體呈共生關(guān)系，有益于機(jī)體，稱為益生菌。腸道常見的益生菌包括乳酸桿菌屬、雙歧桿菌屬、擬桿菌屬等。腸道菌群具有重要的生理調(diào)節(jié)作用，主要包括生物拮抗、防御感染、參與免疫系統(tǒng)的建立和調(diào)節(jié)以及代謝和營養(yǎng)等作用[15-16]。

與常規(guī)飼養(yǎng)小鼠相比，無菌飼養(yǎng)小鼠腸道杯狀細(xì)胞數(shù)量減少、形態(tài)變小，黏液層變薄且通透性增加；將常規(guī)飼養(yǎng)小鼠的腸道菌群定植至無菌小鼠腸道中后，后者腸道可形成與常規(guī)飼養(yǎng)小鼠相似的黏液層[17]。Jakobsson等[18]的研究發(fā)現(xiàn)，在兩種具備不同腸道菌群的C57BL/6小鼠群體中，雖然結(jié)腸黏液厚度相似，但兩組小鼠腸道黏液屏障的通透性卻存在明顯差異；將此兩組小鼠的菌群分別移植至無菌小鼠腸道中后，無菌小鼠的腸道黏液表型分別與其對應(yīng)的捐獻(xiàn)組相似。因此推測腸道菌群與腸道黏液層的發(fā)育密切相關(guān)。

1. 腸道菌群對MUC2合成的影響及其作用機(jī)制

①腸道菌群調(diào)節(jié)MUC2基因轉(zhuǎn)錄：腸道細(xì)菌產(chǎn)物如脂多糖(LPS)、鞭毛蛋白以及細(xì)菌誘導(dǎo)產(chǎn)生的炎性因子，如腫瘤壞死因子(TNF)-α、白細(xì)胞介素(IL)-13等均可調(diào)節(jié)MUC2基因轉(zhuǎn)錄。LPS與腸上皮細(xì)胞表面的Toll樣受體4(TLR4)結(jié)合后，通過髓樣分化因子88 (MyD88)依賴性信號通路活化核因子(NF)-κB，并使其結(jié)合至MUC2啟動(dòng)子的相應(yīng)位點(diǎn)上(-1441-1452堿基對位置)，從而上調(diào)MUC2轉(zhuǎn)錄[19]；同時(shí)LPS亦可通過非MyD88依賴性信號通路，即通過介導(dǎo)干擾素(IFN)以及干擾素調(diào)節(jié)因子3(IRF3)上調(diào)MUC2轉(zhuǎn)錄。TNF-α同樣可通過NF-κB途徑上調(diào)MUC2轉(zhuǎn)錄，但同時(shí)亦能通過c-Jun氨基末端激酶(JNK)途徑抑制MUC2轉(zhuǎn)錄[20]；JNK抑制途徑仍可導(dǎo)致MUC2表達(dá)下降，引起黏液層和上皮層破壞。此兩種調(diào)節(jié)機(jī)制間的相互作用有待進(jìn)一步深入研究。IL-4和IL-13可通過絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)介導(dǎo)的NF-κB途徑正向調(diào)節(jié)MUC2轉(zhuǎn)錄，此外亦可通過激活由MAPK和p38通路介導(dǎo)的環(huán)磷腺苷效應(yīng)元件結(jié)合蛋白/轉(zhuǎn)錄激活因子1(CREB/ATF1)上調(diào)MUC2 轉(zhuǎn)錄[21]。

腸道益生菌群可通過提供MUC2合成所需相關(guān)營養(yǎng)物質(zhì)(如維生素B、K、D以及氨基酸)以及通過短鏈脂肪酸(尤其是丁酸鹽、乙酸鹽)等上調(diào)MUC2轉(zhuǎn)錄[22]。研究發(fā)現(xiàn)，丁酸可通過促進(jìn)激活蛋白-1(AP-1)轉(zhuǎn)錄因子與MUC2啟動(dòng)子中相應(yīng)位點(diǎn)結(jié)合，以及通過組蛋白乙?；揎?如H3、H4乙?；?上調(diào)MUC2 mRNA表達(dá)[23]。此外，丁酸還可通過使MUC2基因去甲基化上調(diào)MUC2轉(zhuǎn)錄。

②腸道菌群調(diào)節(jié)MUC2蛋白翻譯后修飾：MUC2翻譯成蛋白后需經(jīng)過一系列的修飾如二硫鍵的形成、糖基化等才能成為成熟具有功能的黏蛋白。MUC2糖基化包括O型、N型糖鏈的合成，此過程是在多種糖基轉(zhuǎn)移酶催化下完成的；MUC2蛋白相對分子質(zhì)量的80%由O-型糖鏈組成，MUC2的功能與糖基化密切相關(guān)。Bry等[24]的研究通過對常規(guī)和無菌飼養(yǎng)小鼠的比較發(fā)現(xiàn)，無菌小鼠體內(nèi)缺乏糖基化巖藻糖和α-1，2巖藻糖基轉(zhuǎn)移酶mRNA，當(dāng)其經(jīng)過腸道菌群定植飼養(yǎng)后，體內(nèi)巖藻糖基化程序恢復(fù)。Wrzosek等[25]的研究發(fā)現(xiàn)，多形擬桿菌、普拉梭菌可增加糖基轉(zhuǎn)移酶的合成并促進(jìn)MUC2糖基化，且此可能依賴于腸道細(xì)菌產(chǎn)生的短鏈脂肪酸的調(diào)節(jié)。近年一項(xiàng)研究[26]發(fā)現(xiàn)，活潑瘤胃球菌E1能通過分泌一種增加MUC2糖基化轉(zhuǎn)移酶基因表達(dá)的肽樣因子調(diào)節(jié)MUC2糖基化，此種因子因其肽樣性質(zhì)不同于短鏈脂肪酸，被認(rèn)為是一種未曾報(bào)道過的因子。

MUC2硫酸化可增強(qiáng)腸道抗炎能力，與MUC2硫酸化相關(guān)的磺基轉(zhuǎn)移酶包括GAL3ST2、CHST5等[27]。細(xì)菌產(chǎn)物及其引起的炎性因子分泌可大量誘導(dǎo)磺基轉(zhuǎn)移酶形成，其中TNF-α、IL-13可增加CHST5表達(dá)，TNF-α、IL-13、鞭毛蛋白可增加GAL3ST2表達(dá)，使MUC2硫酸化，通過增加黏液黏度和減少細(xì)菌黏附提高腸道抗炎能力[28]。然而，近期有研究[29]顯示，MUC2硫酸化一方面是機(jī)體對細(xì)菌感染產(chǎn)生的應(yīng)答，另一方面則是由于部分細(xì)菌“主動(dòng)為之”，如福氏志賀菌可通過三型分泌系統(tǒng)(TTSS)途徑誘導(dǎo)MUC2硫酸化，其基因組序列中至少存在3個(gè)編碼硫酸酯酶的基因(yejM、yidJ、ORF1680)，MUC2硫酸化有利于表達(dá)硫酸酯酶的細(xì)菌建立其生態(tài)位點(diǎn)而不利于不具備此類降解酶的細(xì)菌定植。故MUC2硫酸化有其兩面性，一方面可增加黏液黏度、減少大部分細(xì)菌黏附，另一方面反而為少數(shù)具備硫酸酯酶的致病菌提供了黏附位點(diǎn)。

2. 腸道菌群對MUC2分泌的影響及其作用機(jī)制：MUC2的分泌分為兩種途徑，一種是基礎(chǔ)分泌途徑，通過細(xì)胞骨架運(yùn)動(dòng)小劑量持續(xù)性分泌MUC2，更新腸道黏液層并維持其完整性；另一種則是調(diào)節(jié)分泌途徑，在各種病理生理刺激下，杯狀細(xì)胞可通過胞吐作用釋放大量 MUC2[30]。兩種途徑分泌MUC2所需的杯狀細(xì)胞可能不同，腸上皮表面的杯狀細(xì)胞通過基礎(chǔ)分泌以維持腸道黏液層，而腸隱窩內(nèi)的杯狀細(xì)胞則在受刺激時(shí)通過調(diào)節(jié)途徑分泌大量MUC2[31]。

Birchenoug等[32]的研究發(fā)現(xiàn)，結(jié)腸隱窩入口處的杯狀細(xì)胞起著哨兵作用。當(dāng)各種生物活性物質(zhì)如LPS、TNF-α、次級膽汁酸鹽等刺激哨兵杯狀細(xì)胞時(shí)，會發(fā)生非特異性內(nèi)吞并通過TLR和MyD88依賴性Nox/Duox活性氧(ROS)合成途徑，激活該途徑下游的NLRP6(Nod-like receptor pyrin domain-containing protein 6)炎性小體。NLRP6炎性小體高度表達(dá)于腸上皮且特異性定位于成熟杯狀細(xì)胞頂端區(qū)域，被認(rèn)為與MUC2的調(diào)節(jié)、分泌密切相關(guān)；NLRP6被激活后與含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶(caspase)-1以及含半胱天冬酶補(bǔ)充結(jié)構(gòu)域(CARD) 的凋亡相關(guān)顆粒樣蛋白(ASC)通過N端的熱蛋白結(jié)構(gòu)域(PYD)蛋白-蛋白連接作用組成NLRP6炎癥復(fù)合體，從而觸發(fā)哨兵杯狀細(xì)胞發(fā)生鈣離子依賴性MUC2胞外分泌，并產(chǎn)生一種胞內(nèi)間隙連接信號，誘導(dǎo)結(jié)腸隱窩鄰近杯狀細(xì)胞繼續(xù)分泌MUC2，以達(dá)到大量分泌MUC2的目的[33]。

MUC2的調(diào)節(jié)分泌途徑是機(jī)體對腸道細(xì)菌感染的應(yīng)答，通過大量釋放MUC2入腸腔，沖刷腸腔內(nèi)細(xì)菌，保護(hù)腸上皮抵御細(xì)菌入侵。然而當(dāng)長期存在細(xì)菌及其產(chǎn)物等的刺激時(shí)，MUC2持續(xù)大量分泌，會造成杯狀細(xì)胞耗竭，使MUC2合成、分泌減少，腸黏膜抗感染能力下降。此外，有研究[34]發(fā)現(xiàn)沙門菌可通過激活I(lǐng)FN-γ受體影響杯狀細(xì)胞內(nèi)填充黏液的囊泡產(chǎn)生，從而減少黏液分泌。

3. 腸道菌群對MUC2降解的影響及其作用機(jī)制：腸道菌群對MUC2降解的影響主要包括以嗜黏蛋白艾克曼菌為代表的益生菌群的緩慢降解作用，其目的在于維持黏液層的動(dòng)態(tài)平衡；以及以致病性大腸埃希菌為代表的致病菌的快速降解作用，其目的是破壞黏液層的完整性。

嗜黏蛋白艾克曼菌利用腸道黏蛋白作為惟一的碳源和氮源，其能產(chǎn)生61種與黏蛋白降解相關(guān)的酶(如硫酸酯酶、糖苷酶等)，在這些降解酶中發(fā)現(xiàn)了BACON結(jié)構(gòu)域，此結(jié)構(gòu)域可能參與黏蛋白酶與黏蛋白的結(jié)合過程[35]。嗜黏蛋白艾克曼菌降解黏蛋白的這一特性使得其在腸道中定植于稀疏的黏液外層，與其他定植在腸腔中的微生物相比，其代謝產(chǎn)物如短鏈脂肪酸等存在于靠近腸上皮細(xì)胞的黏液層中，為腸上皮細(xì)胞提供能量。此外，丙酸可通過G蛋白偶聯(lián)受體43(Gpr43)，其他短鏈脂肪酸可通過Gpr41引起一系列信號通路變化，上調(diào)杯狀細(xì)胞合成MUC2并促進(jìn)其分泌；此過程使嗜黏蛋白艾克曼菌可降解黏液層，但不導(dǎo)致黏液層厚度變薄[36]。嗜黏蛋白艾克曼菌與內(nèi)源性蛋白酶共同參與維持黏液層的動(dòng)態(tài)平衡，維持黏液層正常生理厚度。

致病性大腸埃希菌可通過多種方式降解MUC2，YghJ是其分泌的一種高度保守的金屬蛋白酶，能以劑量依賴性的方式降解MUC2，從而破壞腸黏液屏障[37]。致病性大腸埃希菌亦可合成絲氨酸蛋白酶自動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)家族(SPATE)蛋白，并通過自動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)分泌至菌體外；SPATE蛋白由N端的可剪切信號肽序列、C端的轉(zhuǎn)運(yùn)單位以及中部的載乘結(jié)構(gòu)域組成。中部的載乘結(jié)構(gòu)域內(nèi)包含絲氨酸蛋白酶的催化結(jié)構(gòu)域GDSGS，賦予了SPATE蛋白降解MUC2的能力[38]。

三、結(jié)語

MUC2是組成腸黏液屏障的主要成分，在防御致病微生物入侵以及協(xié)助腸道益生菌定植等方面均具有重要作用。腸道菌群參與調(diào)控人體的諸多生理功能，可通過不同機(jī)制調(diào)控MUC2的合成、分泌以及降解，從而影響MUC2的質(zhì)和量。然而，腸道菌群對MUC2的作用并不像“單一菌群提供所有益處”或“單一菌群均有害”那樣簡單。目前，對MUC2與腸道菌群間的關(guān)系雖有一定了解，但其間許多錯(cuò)綜復(fù)雜的聯(lián)系仍未明確。后續(xù)有望通過深入研究獲得更多關(guān)于MUC2與腸道菌群相互作用的新發(fā)現(xiàn)。