阿克曼菌外膜蛋白Amuc_1100研究進展

付晶晶 韋芳 藍秋靈 孫健

【關(guān)鍵詞】阿克曼菌；Amuc_1100；生物活性；藥物潛力

中圖分類號：R37文獻標(biāo)志碼：ADOI：10.3969/j.issn.1003-1383.2024.05.013

近年來，人們在對腸道微生物進行研究的過程中，發(fā)現(xiàn)了一種與腸道黏液層息息相關(guān)的微生物，名為阿克曼菌（Akkermansiamuciniphila）。阿克曼菌是十多年前首次被分離出來的、定植于腸黏膜黏液層的一種細菌，它是疣微菌門、疣微菌綱、疣微菌目、疣微菌科被培養(yǎng)出來的第一株細菌［1］，占健康成人糞便中細菌總數(shù)的1%～3%［2］，具有分解黏蛋白的特征，可以以黏蛋白作為唯一的碳源和氮源進行生長。越來越多的研究發(fā)現(xiàn)阿克曼菌與肥胖、炎癥性腸病（IBD）等疾病之間關(guān)系密切，多項動物及人體試驗均證實體重和炎性反應(yīng)標(biāo)志物等水平與阿克曼菌的豐度呈負相關(guān)，且這種作用在細菌被巴氏殺菌后依然存在［3］。PatriceDCani團隊在闡明阿克曼菌的作用機制過程中首次發(fā)現(xiàn)，阿克曼菌的菌毛樣外膜蛋白Amuc_1100能夠獨立發(fā)揮部分減脂和維護腸道屏障功能的作用?，F(xiàn)就阿克曼菌外膜蛋白Amuc_1100研究進展綜述如下。

1Amuc_1100的發(fā)現(xiàn)和結(jié)構(gòu)

來自魯汶大學(xué)、瓦赫寧根大學(xué)、赫爾辛基大學(xué)的聯(lián)合研究小組在研究阿克曼菌外膜蛋白時發(fā)現(xiàn)了一些由特定Ⅳ型菌毛基因簇編碼的蛋白質(zhì)，其中一個分子量為32kDa的高含量蛋白被命名為Amuc_1100，屬于細菌外膜蛋白［4］。后續(xù)研究證實，Amuc_1100參與了阿克曼菌通過Toll樣受體2（TLR2）信號通路對抗肥胖、胰島素抵抗和腸道屏障改變的作用。該蛋白在70℃下具有穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，表明巴氏殺菌后的阿克曼菌可能仍能發(fā)揮減肥作用，這與Amuc_1100密切相關(guān)［5］。

Amuc_1100膜外結(jié)構(gòu)域的晶體結(jié)構(gòu)由一個四股反平行β-折疊和四個α-螺旋組成。兩個C端螺旋和四條反平行β-折疊形成兩個“αββ”基序，構(gòu)成核心結(jié)構(gòu)域。該核心結(jié)構(gòu)域與Ⅳ型菌毛蛋白和Ⅱ型分泌系統(tǒng)蛋白具有相似的折疊。N端α1螺旋的消除會導(dǎo)致Amuc_1100發(fā)生二聚化，這表明Amuc_1100的寡聚狀態(tài)是可變的，可能受到α1的影響［6］。在對其全長序列進行結(jié)構(gòu)分析時，由于結(jié)晶困難，因此通過添加0.01mg·mL-1胰蛋白酶使Amuc_1100結(jié)晶，并在2.1A°分辨率下求解并細化了Amuc_1100可結(jié)晶部分的結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)其包含了6個螺旋和4個β-折疊［7］。

2Amuc_1100的信號傳遞方式

作為一種與菌毛形成相關(guān)基因簇上的外膜蛋白，Amuc_1100很可能參與了與宿主的某種交互。體外實驗證明了Amuc_1100可以通過細胞表面的TLR2激活細胞內(nèi)報告基因NF-κB的表達［5］，Amuc_1100蛋白對TLR2信號通路也有激活作用［4，8］。生物層干涉技術(shù)在體外直接測量到Amuc_1100的膜外結(jié)構(gòu)域與hTLR2的結(jié)合［6］。這些結(jié)果表明Amuc_1100可能是TLR2的一種新的配體。因此，TLR2/MyD88/NF-κB很可能是Amuc_1100的一個重要代謝途徑，值得進一步研究。此外，目前的學(xué)術(shù)研究普遍認為，Amuc_1100通過AC3/PKA/HSL途徑加速脂肪分解，這條途徑是通過Amuc_1100激活G蛋白偶聯(lián)受體，催化ATP環(huán)化為cAMP來啟動的。這些研究結(jié)果表明Amuc_1100向細胞內(nèi)傳遞信號的方式并不唯一，可能在細胞膜上存在多樣的受體。

3Amuc_1100的活性

3.1Amuc_1100與肥胖

Amuc_1100緩解肥胖的活性最早被研究。在尋找阿克曼菌減少脂肪堆積和肥胖發(fā)生的機制時，外膜蛋白Amuc_1100被篩選出來。Amuc_1100具有熱穩(wěn)定性，可在小鼠模型中預(yù)防飲食誘導(dǎo)的肥胖［5］。但研究并沒有明確Amuc_1100在抑制肥胖中的具體機制。在最新的一項針對Amuc_1100減肥機制的研究中，研究人員發(fā)現(xiàn)在小鼠體內(nèi)，Amuc_1100可以緩解肥胖，促進白色脂肪褐變；且Amuc_1100可抑制前脂肪細胞3T3-L1中脂肪生成和脂質(zhì)積累的能力，改善3T3-L1細胞中的產(chǎn)熱和脂解基因表達，促進白色脂肪細胞向棕色脂肪細胞的轉(zhuǎn)化；Amuc_1100通過AC3/PKA/HSL途徑加速脂肪分解，并在Ser660處磷酸化HSL，進而促進脂肪分解［9］。國內(nèi)也有研究者通過高脂飲食聯(lián)合鏈脲佐菌素注射模擬大鼠T2DM的發(fā)生，發(fā)現(xiàn)低劑量Amuc_1100蛋白干預(yù)可顯著降低高脂飲食導(dǎo)致的胰島素升高，證實Amuc_1100蛋白可以有效改善高脂飲食引起的代謝紊亂［10］。WADE等還發(fā)現(xiàn)Amuc_1100可以上調(diào)CREBH［11］，而通過在小鼠的肝臟中特異性表達CREBH（cAMP-responsiveelement-bindingproteinH），發(fā)現(xiàn)可以有效抑制代謝性炎癥，并以此來影響胰島素抵抗及因高脂飲食帶來的肥胖［12］，因此這也可能是Amuc_1100抑制肥胖的機制之一。

3.2Amuc_1100與炎癥性腸病

IBD是一種慢性非特異性腸道炎癥性疾病，包括潰瘍性結(jié)腸炎和克羅恩病，是導(dǎo)致結(jié)直腸癌（CAC）的危險因素。IBD的致病機制尚不明確，可能涉及遺傳因素、免疫、腸道菌群改變以及環(huán)境因素。腸道菌群在潰瘍性結(jié)腸炎病程的發(fā)展中起了關(guān)鍵作用。實驗證實，在CAC患者和結(jié)腸炎小鼠中，阿克曼菌的豐度顯著降低［13］。Amuc_1100通過調(diào)節(jié)機體代謝、炎癥因子和免疫反應(yīng)等方式緩解IBD和CAC。GU等［14］的研究發(fā)現(xiàn)，活的阿克曼菌、巴氏滅菌的阿克曼菌和Amuc_1100均可上調(diào)芳香烴受體（AhR）的靶基因，包括CYP1A1、IL-10和IL-22，從而改善結(jié)腸炎。另一項研究顯示［15］，口服滅菌后的阿克曼菌或Amuc_1100，可顯著減輕以葡聚糖硫酸鈉（DSS）誘導(dǎo)的結(jié)腸炎小鼠模型的結(jié)腸縮短，結(jié)腸病理損傷，結(jié)腸組織中cleaved-caspase3、TNF-α、IFN-γ、IL-1β、IL-6、IL-18、IL-33等炎癥因子的表達，并減少CAC模型小鼠腫瘤數(shù)目與面積、結(jié)腸癌變進程以及結(jié)腸組織中γ-H2AX、cleaved-caspase3、Ki67的表達。同時抑制兩種模型鼠巨噬細胞和細胞毒T淋巴細胞（CTL）的結(jié)腸浸潤。WADE等進一步的研究［11］發(fā)現(xiàn)阿克曼菌及其外膜蛋白Amuc_1100可通過上調(diào)CREBH及miR-143/145，保護腸道上皮屏障功能，并抑制腸道炎癥應(yīng)激，同時促進腸道上皮愈合。這些研究均表明，阿克曼菌和Amuc_1100在IBD和CAC中具有抗炎作用。這為IBD的治療提供了新的思路，但它們的不同作用機制仍需進一步闡明，只有通過更廣泛的研究才能更好地將它們運用于臨床。

3.3Amuc-1100與牙周炎

牙周炎是由口腔微生物穩(wěn)態(tài)破壞引起的慢性炎癥性疾病，可引起牙槽骨丟失、牙周溢膿等嚴(yán)重影響口腔健康。研究表明，健康個體口腔中存在阿克曼菌，而嚴(yán)重牙周炎患者的微生物組卻不含阿克曼菌［16］?？梢?，阿克曼菌與牙周炎發(fā)生可能相關(guān)。HUCK等的研究證實了阿克曼菌可通過減少炎癥浸潤和牙槽骨破壞改善牙周炎［17］，其效果可能由外膜蛋白Amuc_1100介導(dǎo)。MULHALL等發(fā)現(xiàn)，阿克曼菌或Amuc_1100可提高M2巨噬細胞數(shù)量，降低M1/M2比值，增加抗炎細胞因子IL-10在mRNA和蛋白水平的表達，從而減輕牙齦卟啉單胞菌誘導(dǎo)的牙槽骨丟失。此外，Amuc_1100還可增加T細胞化學(xué)引誘物CXCL10表達，促進Th1T細胞聚集到牙齦組織，增加細菌清除，從而緩解牙周的炎癥［18］。因此，Amuc_1100可能成為牙周炎治療的新方向，但其具體機制仍需進一步研究。

3.4Amuc-1100與五羥色胺、神經(jīng)系統(tǒng)疾病

5-羥色胺（5-HT）是一種神經(jīng)遞質(zhì)，它在調(diào)節(jié)情緒、睡眠、食欲和疼痛感覺等方面起著重要作用，大部分來自腸黏膜層上的嗜鉻細胞。研究表明，作為腸道益生菌，阿克曼菌豐度與5-羥色胺的水平密切相關(guān)［19］。進一步的研究發(fā)現(xiàn)，WANG等指出Amuc_1100通過直接作用于TLR2，促進5-HT合成限速酶（Tph1）的表達，并減少5-羥色胺再攝取轉(zhuǎn)運蛋白（SERT）的表達，從而提高5-HT的生物合成和細胞外利用率［8］。該研究推測，阿克曼菌可能通過其外膜蛋白Amuc_1100作用于TLR2來調(diào)節(jié)體內(nèi)5-HT濃度，進而改善實驗動物胃腸道疾病和代謝紊亂。另外，CHENG等也發(fā)現(xiàn)Amuc_1100能夠通過TLR2調(diào)節(jié)腸道5-HT水平，改善慢性應(yīng)激小鼠的腸道菌群，從而減輕小鼠抑郁樣行為［20］。最新的研究顯示，阿克曼菌和Amuc_1100可以上調(diào)抗生素誘導(dǎo)小鼠海馬中5-HT的水平，可能通過影響B(tài)DNF/TrkB信號通路來恢復(fù)海馬和皮質(zhì)中的BDNF和TrkB水平、降低星形膠質(zhì)細胞的密度并促進神經(jīng)元激活，從而改善小鼠的焦慮和抑郁樣行為［21］。此外，阿克曼菌和Amuc_1100也可能參與HPA軸和海馬糖皮質(zhì)激素受體通路，降低cort水平，起到減輕抑郁癥狀的作用［21］。Amuc_1100Δ80是缺乏前80個N-末端氨基酸的Amuc_1100的截短形式，并且與野生型蛋白相比具有更高的TLR2親和力。CHENG等進一步研究發(fā)現(xiàn)Amuc_1100Δ80在改善小鼠慢性應(yīng)激誘導(dǎo)的抑郁樣行為方面具有比Amuc_1100更好的抗抑郁效應(yīng)。Amuc_1100Δ80可能通過與TLR2相互作用和改變腸道微生物組成來影響5-HT水平和下游的5-HTR1A-CREB-BDNF信號通路。同時，Amuc_1100Δ80對炎癥和高度激活的HPA軸的下調(diào)作用與CUMS小鼠抑郁樣癥狀的改善密切相關(guān)［22］?？傊珹muc_1100對精神疾病可能具有潛在的治療作用，對Amuc_1100抗抑郁活性的研究可能為抑郁癥新藥開發(fā)指明新方向。

4Amuc_1100作為藥物的潛力分析

到目前為止，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)Amuc_1100具有眾多活性，例如代謝調(diào)節(jié)、腸道屏障保護、抑制腸道炎癥、抗抑郁等，可以利用這些功能將Amuc_1100開發(fā)為具有治療或保健功能的藥物。然而，由于Amuc_1100本質(zhì)上是一種腸道微生物表達的膜蛋白，想要將其開發(fā)為藥物存在以下問題：一是需大量表達具有天然構(gòu)象的Amuc_1100蛋白質(zhì)；二是Amuc_1100藥物如何保存，如何抵抗胃酸的低pH，以天然構(gòu)象形式進入腸道；三是Amuc_1100是否像其他蛋白類或多肽類藥物一樣，需要克服腸道屏障以進入體內(nèi)。

首先，Amuc_1100來源于革蘭氏陰性厭氧細菌，因此通過原核表達可使其具有天然構(gòu)象。目前，大量用于科研的高純度Amuc_1100是通過原核表達系統(tǒng)進行體外表達［23］。因此，利用發(fā)酵罐即可實現(xiàn)大量表達天然構(gòu)象的Amuc_1100蛋白質(zhì)。其次，Amuc_1100表現(xiàn)出非常好的熱穩(wěn)定性，已在許多研究中得到證實。這為Amuc_1100保健食品的開發(fā)提供了便利條件，產(chǎn)品不需要低溫保存，可以常溫加工、運輸及保存，并且仍具有生物活性。為了確保含Amuc_1100保健產(chǎn)品中的蛋白質(zhì)不受胃部低pH和蛋白酶的影響，可采用腸溶膠囊、腸溶片或水凝膠等形式進行遞送，使產(chǎn)品在進入腸道后釋放，從而顯著提高產(chǎn)品在胃腸道中的穩(wěn)定性和口服生物利用度。最后，與其他口服功能性蛋白或多肽相比，Amuc_1100主要發(fā)揮作用于腸道，因此無需考慮如何跨越腸道屏障［24］。

5總結(jié)

自發(fā)現(xiàn)以來，對阿克曼菌的外膜蛋白Amuc_1100進行了大量研究，重點關(guān)注其可能的代謝調(diào)節(jié)通路和活性。目前的研究表明，TLR2是Amuc_1100的識別靶點，與其眾多生物活性密切相關(guān)。最新研究還發(fā)現(xiàn)，Amuc_1100可以與G蛋白偶聯(lián)受體相互識別。已確認Amuc_1100具有多種生物活性，包括調(diào)節(jié)代謝、調(diào)節(jié)腸道屏障、抑制炎癥性腸炎和口腔炎癥、調(diào)節(jié)5-羥色胺以及抗抑郁作用。未來研究應(yīng)深入探討這些生物活性產(chǎn)生的具體機制，并加大藥物開發(fā)投入。

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