高權(quán)新 吳天星* 王進(jìn)波

(1.浙江大學(xué)動物科學(xué)學(xué)院,杭州 310029；2.浙江大學(xué)寧波理工學(xué)院,寧波 315100)

幾十億年前,細(xì)菌就已在地球上生存,它們與地球上的動物進(jìn)行了長期的生存磨合與協(xié)同進(jìn)化,對動物的生理生化功能、基因表達(dá)、身體發(fā)育等方面都有顯著的影響。有研究報道,人可以編碼223種與細(xì)菌有同源性的非真核蛋白[1]。鑒于共生微生物的強(qiáng)大功能,很多人已經(jīng)將動物體內(nèi)的微生物稱為寄主的一個“多功能器官”。所以研究微生物與寄主間的共生關(guān)系,對促進(jìn)畜牧業(yè)的發(fā)展有著積極的作用。

1 腸道微生物與寄主的共生關(guān)系類型

動物腸道中存在著數(shù)量龐大的微生物,這群微生物依靠動物的腸道生活,同時幫助寄主完成多種生理生化功能。據(jù)統(tǒng)計(jì),人的腸道寄居有1 000多種、100萬億個微生物,這個數(shù)目相當(dāng)于10倍的體細(xì)胞和生殖細(xì)胞的數(shù)目[2]。因此,我們可以將動物或人稱為“多物種的混合體”,對這個混合體的結(jié)構(gòu)組成以及相互間的作用進(jìn)行詳細(xì)的研究必然會有重大的意義。

Hooper等[3]將微生物與寄主的關(guān)系分為互利共生(symbiosis)、同食共生(commensal)及致病(pathogenic)3種?！盎ダ采本褪俏⑸锛乃拊诩闹鲀?nèi),雙方都不會危害對方,且雙方受益。Commensal一詞來自中世紀(jì)的拉丁語,本意是同桌共餐,就是在共生中不損及對方,但也沒有明顯的有益作用；共生微生物的生態(tài)失衡會使寄主致病,即使在沒有外來傳染性微生物侵入的條件下,共生微生物的生態(tài)失衡也會引發(fā)寄主發(fā)生炎性腸病(inflammatory bowel diseases,IBD)[4]。宏基因組學(xué)研究表明腸道微生物的整體丟失或是過度繁殖都會引發(fā)炎性腸病[5]。寄主與腸道微生物之間的共生關(guān)系經(jīng)過幾十億年的協(xié)同進(jìn)化,使得平衡向互利共生移動(圖1),在正常情況下寄主與腸道微生物之間處于一種互利共生的狀態(tài)。

圖1 腸道微生物與寄主間的共生關(guān)系類型Fig.1 Types of symbiotic relationships between host and intestinal microbiota

2 腸道內(nèi)微生物群系的建立

腸道微生物群系的建立是一個復(fù)雜的過程,這需要寄主與微生物之間以及微生物內(nèi)部之間進(jìn)行復(fù)雜的調(diào)控反應(yīng)。微生物通過對寄主腸道特定的營養(yǎng)環(huán)境的利用,以及依靠種內(nèi)和種間的相互作用,形成具有一定穩(wěn)定性的微生物群系。微生物之間的群體感應(yīng)調(diào)節(jié)是至關(guān)重要的,它可以對微生物間的相互作用以及新的微生物的加入進(jìn)行調(diào)整,以形成具有一定穩(wěn)定性的微生物群系[6]。這個微生物群系是個動態(tài)的群系,可根據(jù)食物和進(jìn)入的微生物的特點(diǎn)做出反應(yīng),以功能的多樣性和較大的適應(yīng)性來應(yīng)對外界環(huán)境的改變。例如在食物相對缺乏時,多形類桿菌會分泌更多的糖苷水解酶,提高這個群系利用食物的能力,防止發(fā)生較大規(guī)模的群系結(jié)構(gòu)的改變[2]。因此,腸道微生物群系的建立可加強(qiáng)微生物利用營養(yǎng)物質(zhì)的能力,使得微生物能有效的利用群體優(yōu)勢來應(yīng)對營養(yǎng)的變化。

腸道微生物的結(jié)構(gòu)組成是自然選擇的結(jié)果。首先是微生物之間進(jìn)行著生存競爭,最終形成具有一定穩(wěn)定性的群系,微生物之間達(dá)成一種默契。其次還存在微生物與寄主之間的自然選擇。如果腸道內(nèi)所形成的微生物群系對寄主的健康造成不利的影響,那么寄主的健康就會每況愈下,最后寄主就會死亡,最終使得這個微生物群系所適合的寄主的數(shù)量越來越少,結(jié)果“共生”變成了“共亡”；但如果腸道內(nèi)的微生物群對寄主的健康有利,那么這個微生物群系所適合的寄主就會越來越多,最終達(dá)到互利共生。

3 腸道微生物的多樣性

腸道中存在3種生命形式:細(xì)菌、古生菌和真核域。雖然腸道內(nèi)的細(xì)菌密度是所有生態(tài)環(huán)境里最大的,但是類別卻是最簡單的。細(xì)菌主要有噬纖維菌-黃桿菌-擬桿菌(Cytophaga-Flavobacterium-Bacteroides)組成,各占腸道內(nèi)所有細(xì)菌的30%左右。目前利用16S rRNA測序法鑒定的腸道菌有1 822種,其中1 689種是不可培養(yǎng)細(xì)菌[2]。

腸道微生物的多樣性和對腸道環(huán)境的適應(yīng)性是其典型特點(diǎn)。多形類桿菌缺乏黏附食物(食物微粒、滲出的黏液、脫落的上皮細(xì)胞)的細(xì)胞器,但是可以產(chǎn)生黏附特定多糖外膜的蛋白質(zhì)組分,這些蛋白質(zhì)可以根據(jù)食物中的多糖特點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整,使得多形類桿菌可以聚集在一定的營養(yǎng)平臺上“用餐”,同時也使得這類細(xì)菌不被腸道的“生物反應(yīng)器”清除[7]。另外,多形類桿菌還可根據(jù)食物的特點(diǎn)調(diào)節(jié)莢膜多糖的合成,避免寄主發(fā)生免疫反應(yīng)帶來的損害。用基因芯片對這類菌的基因組進(jìn)行分析,結(jié)果表明合成莢膜多糖的相關(guān)蛋白質(zhì)的基因組是不同的,而看家基因(housekeeping genes)卻是相對穩(wěn)定的。因?yàn)槊庖呦到y(tǒng)和噬菌體會根據(jù)細(xì)菌表面的構(gòu)型有選擇的清理細(xì)菌,而且這種清理面積很廣。多形類桿菌有改變基因型的相關(guān)“機(jī)器”,一個典型株的基因序列中有1個質(zhì)粒、63種轉(zhuǎn)座酶、43種整合酶和4種接合轉(zhuǎn)座子?；虻囊莆缓屯蛔兪沟眉?xì)菌有了更多的反抗清理的功能,以避免群體變小[2]。

4 腸道微生物的附著

細(xì)菌是通過與特殊的配糖體結(jié)合,寄居在動物腸腔內(nèi)。動物腸上皮的表面有豐富的糖蛋白、糖脂類,這些糖類物質(zhì)分布在刷狀緣膜的頂端和基底外側(cè)的表面。這些配糖體的多聚糖末端是致病微生物侵入的受體,如腸腔內(nèi)配糖體的半乳糖殘基是痢疾變形蟲和凝聚性大腸桿菌黏附和入侵的受體[8-9]。配糖體的末端結(jié)構(gòu)及腸黏膜上配糖體的改變均會影響微生物的附著,從而影響整個腸道微生物區(qū)系環(huán)境。

糖基轉(zhuǎn)移酶可修飾改造配糖體的末端結(jié)構(gòu),從而影響腸道微生物的附著。多形擬桿菌是黏附在與巖藻糖以α-1,2相連的配糖體上面。當(dāng)在無菌小鼠體內(nèi)轉(zhuǎn)入這類細(xì)菌,α-1,2-墨角藻糖基轉(zhuǎn)移酶的基因表達(dá)量迅速增加,可達(dá)到普通條件飼養(yǎng)的成年小鼠的水平[10]。將β-1,4半乳糖轉(zhuǎn)移酶的基因敲除,在斷奶時期將有1/2的小鼠死亡,這是由于在斷奶前后微生物群系會發(fā)生較大的改變,而這種改變需要β-1,4半乳糖轉(zhuǎn)移酶的參與[11]。

由于β-1,4半乳糖轉(zhuǎn)移酶在腸腔內(nèi)的變化往往伴隨著微生物群系的改變,這就引起了很多專家學(xué)者的關(guān)注,是黏膜配糖體的改變引起了微生物群系的改變,還是微生物群系的改變引起了黏膜配糖體的改變？Nanthakumar等[11]發(fā)現(xiàn),正常飼喂的小鼠在出生后第4周,體內(nèi)的β-1,4半乳糖轉(zhuǎn)移酶和海藻糖酶的基因表達(dá)就可達(dá)到成年水平；無菌飼喂的小鼠,體內(nèi)的 β-1,4半乳糖轉(zhuǎn)移酶的基因表達(dá)水平一直處在較低的水平,但是在轉(zhuǎn)入成年小鼠體內(nèi)的微生物后,β-1,4半乳糖轉(zhuǎn)移酶基因的表達(dá)水平便有很大的提高,在結(jié)腸內(nèi)可觀察到與 β-1,4配糖體相連的半乳糖?？梢娔c道微生物對小鼠腸道黏膜細(xì)胞表面的配糖受體的形成具有決定作用。

5 腸道微生物對腸道免疫及疾病治療的影響

5.1 腸道微生物對腸道免疫反應(yīng)的影響

動物腸道黏膜在動物的免疫系統(tǒng)中擔(dān)當(dāng)者重要的角色,這可能與高密度的腸道微生物長期對抗、合作的結(jié)果。動物機(jī)體可利用自身的防御機(jī)制來抵抗外來微生物的入侵,比如 α-防御素和免疫球蛋白A(IgA)的分泌等?？刮⑸锔腥镜腎gA是在腸黏膜誘導(dǎo)產(chǎn)生的,但這與抗原特異性 T細(xì)胞產(chǎn)生的IgA是不同的,抗微生物感染的IgA是不需要T細(xì)胞參與的[12]。腸道IgA在識別共生菌過度負(fù)載,以及清理這些細(xì)菌中扮演著重要的角色,這是寄主與腸道微生物在長期對抗與合作中所獲得的適應(yīng)性免疫。

5.2 腸道微生物對免疫系統(tǒng)發(fā)育的影響

有研究發(fā)現(xiàn),共生微生物對免疫系統(tǒng)的正常發(fā)育亦有重要的作用。無菌飼養(yǎng)的動物的CD4陽性T淋巴細(xì)胞(CD4+T細(xì)胞)發(fā)育欠佳,而脆弱類桿菌可以通過釋放多糖 A(PSA)彌補(bǔ)這種缺陷[13]。CD4+T細(xì)胞分為CD4+CD45RbhighT細(xì)胞和CD4+CD45RblowT細(xì)胞2個亞型,無菌飼養(yǎng)的動物的CD4+CD45RblowT細(xì)胞比普通飼養(yǎng)的同齡動物的要少,而脆弱類桿菌的轉(zhuǎn)入可以促進(jìn)這類免疫細(xì)胞的發(fā)育[14]。

5.3 腸道微生物對寄主治療腸炎的影響

腸炎引發(fā)的組織損傷,一般認(rèn)為是細(xì)菌引起寄主產(chǎn)生炎性細(xì)胞因子的結(jié)果[14]。比如發(fā)生大腸炎時,炎性細(xì)胞因子——腫瘤壞死因子(TNF-α)、白介素-1β(IL-1β)和白介素-23(IL-23)是引發(fā)組織損傷的主要因素。在結(jié)腸段寄生的潛在致病菌肝螺桿菌可引起結(jié)腸段的 TNF-α、白介素-12p40(IL-12p40)、IL-1β的增加,但如果同時寄生脆弱類桿菌,TNF-α和 IL-23的含量不會增加[15]。Neish等[16]在培養(yǎng)人體小腸上皮細(xì)胞時發(fā)現(xiàn),沙門氏菌可以阻止炎性細(xì)胞因子的產(chǎn)生。這些阻止炎性細(xì)胞因子增加的細(xì)菌,通過一種特異的免疫調(diào)節(jié)分子,使得免疫反應(yīng)對寄主更為有利,阻止了腸炎的發(fā)生[15]。

當(dāng)前研究發(fā)現(xiàn),多種細(xì)菌如雙歧菌、乳酸菌和鏈球菌都有治療腸炎的作用。敲除白介素-10(IL-10)基因2周后,小鼠結(jié)腸段乳酸菌的數(shù)量減少,腸黏膜黏附的已移位的細(xì)菌的數(shù)量增多,在第4周便可誘發(fā)大腸炎,而補(bǔ)加乳酸菌可防止大腸炎的發(fā)生[17]。Mazmanianl等[15]發(fā)現(xiàn)將高劑量的 CD4+CD45+RblowT細(xì)胞轉(zhuǎn)入無特異病原體的小鼠,且轉(zhuǎn)入肝螺桿菌后,可引發(fā)嚴(yán)重的大腸炎,但是如果再轉(zhuǎn)入脆弱類桿菌,大腸炎可被有效的治療。移入無菌小鼠的多形類桿菌,還可以誘導(dǎo)寄主產(chǎn)生衰變加速因子(decay-accelerating factor,DAF),這種因子可以抑制某些微生物分泌補(bǔ)體所引起的損害作用[2]。PSA是脆弱類桿菌分泌的一種微生物分子,可通過抑制白介素-17(IL-17)的產(chǎn)生而阻止腸炎的發(fā)生；在體外細(xì)胞培養(yǎng)試驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)PSA有此功能[15]。這說明腸道微生物具有促進(jìn)寄主健康,治療腸道疾病的作用。

5.4 腸道微生物對寄主治療代謝紊亂的影響

利用共生菌還可治療寄主代謝紊亂。Cani等[18]發(fā)現(xiàn)喂給小鼠高脂肪的食物可引發(fā)內(nèi)毒素血癥,而雙歧桿菌的轉(zhuǎn)入可有效的控制血糖升高,使胰島素正常分泌,防止糖尿病的發(fā)生。

6 腸道微生物對寄主腸道發(fā)育和能量平衡的影響

6.1 腸道微生物對寄主腸道發(fā)育的影響

腸道是動物與微生物聯(lián)系最緊密的地方,也是微生物寄居及發(fā)揮一系列作用最重要的場所[19]。動物的每一腸段的微生物的組成和數(shù)量都是不一樣的,且隨著年齡和環(huán)境的改變而改變。腸道的正常發(fā)育需要內(nèi)在因子(如,腎上腺皮質(zhì)激素)和外在因子(如,共生微生物)的參與。動物體內(nèi)的共生微生物是外在因子中最重要的部分。研究發(fā)現(xiàn),無菌飼養(yǎng)的動物腸組織的發(fā)育不健全,脈管、營養(yǎng)、內(nèi)分泌等方面的功能減退,比普通飼養(yǎng)的動物更容易被致病菌感染,胃腸道的免疫功能也有所下降[17,20-21]。Hooper等[22]把多形擬桿菌轉(zhuǎn)入無菌老鼠,并對老鼠體內(nèi)mRNA的轉(zhuǎn)錄進(jìn)行分析,結(jié)果發(fā)現(xiàn)這類細(xì)菌的轉(zhuǎn)入,影響了幾種與腸道功能有關(guān)的重要基因的表達(dá),而這些基因可調(diào)控身體的發(fā)育、營養(yǎng)物質(zhì)的吸收、脈管和保護(hù)性黏膜層的發(fā)育等,說明腸道微生物對腸道的健康發(fā)育是不可或缺的。

6.2 腸道微生物對寄主能量平衡的影響

在過去幾十年,瘤胃微生物是共生微生物研究的焦點(diǎn)。瘤胃被稱為一個龐大的發(fā)酵罐,瘤胃微生物可消化50%～90%的粗纖維。單胃動物的腸道,尤其是后腸道微生物的發(fā)酵作用也是比較顯著的,所以共生微生物必然會影響寄主的能量平衡。腸道內(nèi)的主要菌種多形類桿菌具有強(qiáng)大的消化多糖類物質(zhì)的能力,它的基因組序列中含有可以結(jié)合淀粉的外膜蛋白(SusC和SusD)的163種旁系同源體、226種糖苷水解酶、15種多糖分解酶的基因[2]。Backhed等[23]在無菌小鼠體內(nèi)灌注常規(guī)飼養(yǎng)小鼠的小腸末端的微生物群,結(jié)果發(fā)現(xiàn)無菌小鼠在14 d內(nèi)體脂含量增加了60%。共生微生物可消化寄主不能消化的食物,增加寄主對單糖和短鏈脂肪酸的吸收,促進(jìn)寄主對能量的吸收和貯存。

6.3 腸道微生物影響寄主能量平衡的機(jī)理

共生微生物可根據(jù)寄主的食物特點(diǎn),有選擇的上調(diào)分解該食物的酶類。對飼喂高多糖(木糖、半乳糖、阿拉伯糖、葡萄糖為主要單糖成分)日糧的小鼠腸道進(jìn)行電鏡掃描發(fā)現(xiàn),多形類桿菌主要聚集在未消化或部分消化的食物顆粒、黏液凝膠層的脫落物、脫落的上皮層細(xì)胞上；該菌上調(diào)了多種與這些多糖分解有關(guān)的基因的表達(dá)；這些基因包括:SusC和SusD旁系同源體基因、糖苷水解酶(如木聚糖酶、阿拉伯糖苷酶、果膠裂解酶)基因,另外還有可將甘露糖、葡萄糖和半乳糖轉(zhuǎn)運(yùn)到糖分解途徑,將阿拉伯糖和木糖轉(zhuǎn)運(yùn)到磷酸戊糖途徑的酶的基因。與此相反,飼喂缺乏多糖的(主要是葡萄糖和蔗糖)日糧則導(dǎo)致另一些基因表達(dá)量的增加,這些基因包括,一些SusC和SusD的旁系同源體基因(不同于前面的旁系同源體基因)、糖苷水解酶基因和可去除阻礙寄主消化葡聚糖的修飾基團(tuán)的酶基因[2]。

共生微生物可消化寄主不能消化的多糖物質(zhì),促進(jìn)單糖在腸道內(nèi)的吸收,提高血清中的葡萄糖和胰島素的含量；這2種物質(zhì)的提高可以通過糖類應(yīng)答元件結(jié)合蛋白(ChREBP)和固醇調(diào)節(jié)元件結(jié)合蛋白(SREBP-1c)途徑增加脂肪在肝臟中的沉積[23]。禁食脂肪細(xì)胞因子(fasting-induced adipocyte factor,Fiaf)是一種類似血管生成素樣的蛋白質(zhì),是可以循環(huán)使用的脂蛋白脂酶抑制因子(脂蛋白脂酶是脂肪細(xì)胞攝取從肝臟轉(zhuǎn)運(yùn)的甘油三酯的關(guān)鍵酶),而共生微生物對其抑制作用是促進(jìn)脂肪細(xì)胞內(nèi)沉積甘油三酯的關(guān)鍵[23]。

6.4 利用腸道微生物促進(jìn)人體健康及畜禽生產(chǎn)的可行性探討

腸道內(nèi)有2組占主導(dǎo)地位的菌群:擬桿菌門和硬壁菌門。肥胖寄主腸道內(nèi)的擬桿菌門所占的比重,與瘦弱寄主相比要小,并隨著體重的降低而增加[24]。肥胖和瘦弱寄主擁有不用結(jié)構(gòu)的微生物群系,所以對肥胖寄主和瘦弱寄主體內(nèi)的微生物群系進(jìn)行詳細(xì)的解密,對微生物發(fā)酵的效率和微生物的組成結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比分析,可建立最佳的可促進(jìn)人類健康的微生物群系模型；而在畜牧養(yǎng)殖方面,可建立育肥微生物群系和提高瘦肉率的微生物群系模型等,從而根據(jù)畜禽的特點(diǎn)進(jìn)行投喂,以提高畜禽的生產(chǎn)性能。

7 腸道微生物與寄主間的串?dāng)_(bacterialepithelial“crosstalk”)

7.1 病原菌的侵入

很多致病微生物可以黏附并侵入寄主細(xì)胞,而不被吞噬。微生物的表面可與寄主的受體作用,通過傳遞信號的方式使得寄主細(xì)胞骨架出現(xiàn)裂痕,從而進(jìn)入寄主細(xì)胞。這是致病微生物入侵寄主細(xì)胞的共性,但致病微生物都具有獨(dú)特的入侵方式。比如豬傷寒沙門氏菌(Salmonella enterica typhimurium),可通過將表皮生長因子受體的酪氨酸磷酸化而入侵上皮細(xì)胞,這和表皮生長因子誘導(dǎo)的酪氨酸磷酸化非常相似。這說明致病菌通過將寄主細(xì)胞受體磷酸化而完成信號的傳導(dǎo),以加強(qiáng)自身的黏附能力[25]。致病性大腸桿菌則可將自身的蛋白受體(translocated intimin receptor,TIR)轉(zhuǎn)移到寄主細(xì)胞內(nèi)。TIR可與緊密黏附素結(jié)合,使細(xì)胞骨架重排,并可誘導(dǎo)產(chǎn)生多種信號反應(yīng),已達(dá)到入侵的目的[25]。許多致病菌已形成了專門的分泌系統(tǒng)(typeⅢsecretion),調(diào)節(jié)細(xì)菌蛋白向寄主細(xì)胞的轉(zhuǎn)入。當(dāng)這些可溶蛋白分子被致病菌分泌到寄主細(xì)胞內(nèi),會使酪氨酸激酶磷酸化,動員儲備的Ca2+,活化與GTP結(jié)合的蛋白質(zhì)等。這些都會使肌動蛋白細(xì)胞骨架發(fā)生重排,使致病菌得以侵入寄主細(xì)胞[25]。

7.2 寄主的免疫調(diào)節(jié)

目前研究發(fā)現(xiàn),IL-10和轉(zhuǎn)化生長因子-β(transforming growth factor-β,TGF-β)是寄主重要的免疫調(diào)節(jié)因子。IL-10缺陷的小鼠可在無病原菌侵入的條件下感染大腸炎,但在無菌條件下飼養(yǎng)卻不會。這說明缺乏寄主介導(dǎo)的免疫調(diào)節(jié),一般的共生細(xì)菌可誘導(dǎo)寄主感染大腸炎[26]。這與IL-10可誘導(dǎo)腸黏膜固有層 T細(xì)胞分泌TGF-β有關(guān)。TGF-β1缺陷的小鼠容易感染大腸炎,而 TGF-β1基因的過量表達(dá)卻會抑制引發(fā)的試驗(yàn)性大腸炎。TGF-β1可通過激活多種信號級聯(lián)反應(yīng),調(diào)節(jié)由信號傳導(dǎo)蛋白(Smad)和細(xì)胞分裂素活化蛋白激酶(mitogen activated protein kinase,MAPK)介導(dǎo)的信號傳導(dǎo)通路。在腸道上皮細(xì)胞,TGF-β啟動的Smad信號傳導(dǎo)可引發(fā)Toll樣受體2(Toll like receptor 2,TLR2)的降解,并阻斷轉(zhuǎn)錄輔激活子(CBP/p300)介導(dǎo)的組蛋白的磷酸化,這可抑制腸道細(xì)菌介導(dǎo)的促炎癥反應(yīng)[26]。所以寄主的免疫調(diào)節(jié)對于維持腸道組織細(xì)胞的正常,以及維護(hù)腸道微生物環(huán)境的穩(wěn)定都有重要的作用。

7.3 共生微生物的免疫調(diào)節(jié)

共生微生物可通過多種多樣的信號傳導(dǎo)方式,增加寄主腸道的免疫耐受性。Bashir等[27]研究發(fā)現(xiàn)缺乏微生物脂多糖受體(Toll-like recptor 4)的小鼠對食物抗原的敏感性會增加；灌輸抗生素等方法減少或改變腸道微生物群系均會導(dǎo)致過敏原特異性免疫球蛋白E(IgE)和輔助性T淋巴細(xì)胞2(T helper cell 2,Th2)細(xì)胞因子的減少,增加野生小鼠對食物抗原的敏感性。這說明寄主腸道微生物通過Toll樣受體(Toll like receptor,TLR)介導(dǎo)的信號傳導(dǎo)可緩解腸道對食物抗原的敏感性。多形擬桿菌可抑制由鞭毛蛋白或有鞭毛的病原體誘導(dǎo)的免疫反應(yīng),這是由于多形擬桿菌可在TLR受體信號傳導(dǎo)和核轉(zhuǎn)錄因子 -κ B(nuclear factor-kappa B,NF-κ B)活躍的下游通路發(fā)揮抑制作用[28]。另有研究發(fā)現(xiàn),共生微生物可通過阻止 Iκ B-a(NF-κ B的抑制劑)的降解來抑制 Iκ B和 NF-κ B的信號傳導(dǎo),從而防止NF-κ B二聚體的核轉(zhuǎn)位,增加寄主腸道的免疫耐受性[29]。綜上所述,由于共生微生物與寄主長期共生,從而形成了由微生物介導(dǎo)的可調(diào)節(jié)寄主免疫反應(yīng)的信號傳導(dǎo)通路,這對維護(hù)腸道環(huán)境的穩(wěn)定有重要的意義。

7.4 寄主腸道黏膜細(xì)胞、共生微生物、致病微生物之間的互作機(jī)制

寄主的腸道黏膜細(xì)胞可對共生微生物保持在一種無免疫應(yīng)答的狀態(tài),而對治病性微生物卻有免疫應(yīng)答反應(yīng)。共生微生物可通過TLRs信號途徑,輔助寄主細(xì)胞保持對病原微生物的免疫反應(yīng)性,從而和寄主協(xié)同維持腸道環(huán)境的穩(wěn)定。在正常狀態(tài)下,共生微生物不會破壞寄主的細(xì)胞膜,也不會引發(fā)嚴(yán)重的炎癥反應(yīng),僅刺激寄主產(chǎn)生一定量的TNF-α、IL-2、IL-8等炎癥因子,還可刺激寄主產(chǎn)生IL-10、PPARγ(peroxisome proliferator activated receptors γ)等炎癥抑制因子,從而保持動物機(jī)體免疫系統(tǒng)的動態(tài)平衡。由于病原微生物往往會過度的刺激寄主發(fā)生免疫反應(yīng),致使寄主呈現(xiàn)不同程度的病理變化,所以共生微生物所產(chǎn)生的炎癥抑制因子對于緩解病原微生物所引起的炎癥反應(yīng)亦有重要的作用(圖2)[30]。

圖2 寄主腸道黏膜細(xì)胞、共生微生物、致病微生物之間的互作機(jī)制[30]Fig.2 Molecular interactions between the host,intestinal commensal bacteria and pathogenic bacteria[30]

7.5 哺乳動物細(xì)胞內(nèi)的TLR/NOD信號通路

研究發(fā)現(xiàn),TLR有11個家族成員,NOD(nucleotide-binding oligomerization domain)樣受體有2個家族成員,這2個家族皆是微生物的識別受體,分別存在于細(xì)胞的表面和細(xì)胞溶膠中,可針對不同的微生物產(chǎn)生特定的免疫應(yīng)答反應(yīng)[31-33]。Toll樣受體存在細(xì)胞的表面,由3個功能區(qū)組成:胞外區(qū)、胞內(nèi)區(qū)和跨膜區(qū)。胞外區(qū)可對微生物及其產(chǎn)物產(chǎn)生特異性識別,胞內(nèi)區(qū)是信息傳遞的關(guān)鍵元件,可通過髓樣分化因子88(myeloid differentiation factor 88,MYD 88)激活下游NF-κ B通路,從而引起免疫應(yīng)答反應(yīng)。NOD樣受體則存在于細(xì)胞溶膠中,可通過RICK/Rip(receptor-interacting protein 2,Rip2)信號傳導(dǎo)激活下游NF-κ B通路,引發(fā)免疫反應(yīng)(圖3)。

圖3 哺乳動物細(xì)胞內(nèi)的TLR/NOD信號通路[31]Fig.3 TLR/NOD signalling in a mammalian host cell[31]

8 結(jié) 語

人或動物的宏基因組包括從父母代遺傳下來的基因組和大量的寄居在腸道內(nèi)的共生微生物的基因組(元基因組)。元基因組的數(shù)量要比遺傳基因組大幾個數(shù)量級,可編碼100多萬個基因。如此龐大的基因組使得共生微生物擁有非常廣泛的作用。如果將動物或人類當(dāng)做一個多物種的“混合體”,那么對這個“混合體”進(jìn)行詳細(xì)的解密,必然對人類、動物的健康產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。目前國際上多個組織已經(jīng)啟動了人類微生物基因組研究計(jì)劃,旨在對人類微生物基因組進(jìn)行全面的解析。隨著時代的推進(jìn),動物的微生物基因組研究計(jì)劃也必然會陸續(xù)展開,這將幫助我們在健康養(yǎng)殖以及疾病的早期診斷與治療等方面取得突破性進(jìn)展。

當(dāng)前有關(guān)腸道微生物分子機(jī)制的研究較少,尤其是微生物代謝產(chǎn)物對寄主的作用模式、信號傳導(dǎo)的方式、如何影響寄主的基因的表達(dá)以及如何協(xié)同維持微生物群系的穩(wěn)定等方面。這必然要求多學(xué)科間的合作,通過利用分子生物學(xué)的研究成果,更深入的探討腸道微生物群系和寄主之間的關(guān)系。

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