王進波 李 楊,2 齊莉莉 喻鵬飛 吳天星,2*

(1.浙江大學寧波理工學院，寧波315100；2.浙江大學化學系，杭州310027)

黏蛋白側鏈巖藻糖在腸道細菌與宿主互作過程中的作用

王進波1李 楊1,2齊莉莉1喻鵬飛1吳天星1,2*

(1.浙江大學寧波理工學院，寧波315100；2.浙江大學化學系，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、定植及免疫調節(jié)過程中發(fā)揮重要作用。巖藻糖是腸道黏蛋白分子側鏈中的一種重要糖基，本文總結了巖藻糖作為腸道菌黏附靶位點和信號調節(jié)分子，以及調節(jié)腸道功能等方面的作用。

巖藻糖；腸道細菌；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，十二指腸中細菌的數量約為104個/g，結腸中細菌的數量約為1012個/g[1-2]。這些共生菌與宿主間存在著復雜而精細的互作關系，參與調節(jié)機體生理功能，對于維持機體的健康具有重要意義[3]。腸道菌群通過與機體腸道上皮互作，刺激腸道組織發(fā)育，調節(jié)機體腸道免疫功能，并可通過機體腸腦軸和腸肝軸調節(jié)中樞神經系統(tǒng)及肝臟功能[4-5]。近10年來，腸道微生態(tài)與機體健康的關系已成為國內外研究的熱點。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。因此，揭示腸道菌群與機體的互作機制，對探究上述疾病的發(fā)病機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制概述

國內外學者對腸道細菌與機體的互作機制進行了較為廣泛的研究。一般認為，腸道細胞可通過模式識別受體(PRRs)與細菌細胞壁組成成分相互識別，激活機體非特異性免疫應答反應，阻礙腸道細菌易位，防止其侵染腸道組織[1,12]。細菌的磷壁酸、肽聚糖、鞭毛蛋白、脂多糖等細胞壁成分可以被腸黏膜M細胞上的跨膜受體Toll樣受體(TLRs)、C-型凝集素受體(CLRs)及細胞漿中的NOD樣受體(NLRs)和RIG-Ⅰ樣受體(RLRs)識別，進而刺激樹突狀細胞成熟，發(fā)揮其抗原呈遞功能，激活腸道免疫應答反應[13-15]。腸道共生菌通過依賴于髓樣分化因子(MyD88)的信號途徑，調節(jié)腸道微生態(tài)，維持腸道菌群平衡[16]。研究發(fā)現，有的益生菌也可通過非依賴于MyD88的信號途徑，調節(jié)腸黏膜細胞的免疫機能[17-18]。這些研究結論揭示了細菌可通過與腸黏膜細胞中的相關受體的識別，激活腸道免疫應答反應，從而避免腸道中的細菌易位并侵染機體。然而，在正常情況下，人體腸道黏膜細胞會產生并分泌大量黏液，形成黏液層，覆蓋在腸道黏膜細胞表面，僅有極少數細菌能夠通過黏液層，被腸黏膜細胞的相關受體識別，調節(jié)腸黏膜免疫應答。絕大多數細菌并不與腸黏膜細胞直接接觸，也就不能通過上述受體而與腸黏膜細胞互作[19-20]。這提示腸道細菌在腸道中的黏附與定植存在其他機制。結腸黏液層分為內層和外層，黏液內層與腸黏膜上皮細胞緊密結合，不具流動性，厚度為50～100 μm，是結構致密的無菌層；黏液外層位于黏液內層的腸腔側，結構疏松，具有流動性，厚度為100～700 μm，其中有大量細菌存在(圖1)[21-23]。腸道黏液內、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菌提供識別、黏附位點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 黏蛋白側鏈巖藻糖是腸道細菌的重要黏附靶點

巖藻糖是黏蛋白糖鏈上的重要糖基，占糖基總數的4%～14%。Abodinar等[24]研究發(fā)現，豬胃黏蛋白分子中巖藻糖占糖基總量的4%。細菌在消化道的識別、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[21,26]?？漳c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、定植到腸黏膜細胞表面，這可將細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生的凝集素LecB，特異性地與巖藻糖基結合，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，促進其腸道組織發(fā)育成熟，從而保護腸黏膜上皮免受腸道菌群的侵染[29]。Priori等[30]研究發(fā)現，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。有研究表明，仔豬腸黏膜組織中α-1,2巖藻糖基轉移酶1(α-1,2-fucosyltransferases 1，FUT1)的基因型及其表達水平與ETEC在腸黏膜上的黏附率密切相關，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[31]。這些研究表明，巖藻糖基可與致病菌特異性結合，阻礙細菌直接接觸腸道組織，從而避免其引起的機體炎癥反應。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制進行探索。

3 巖藻糖作為信號分子調節(jié)腸道微生態(tài)

巖藻糖可作為信號分子和細菌碳源，參與機體腸道微生態(tài)調節(jié)[29]。Pacheco等[32]研究發(fā)現，巖藻糖可誘導腸出血性大腸桿菌(enterohemorrhageE.coli，EHEC)的膜受體磷酸化，進而抑制EHEC毒力相關操縱子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空腸彎曲桿菌(C.jejuni)flaA啟動子的活性，增強該菌的毒力[25]。沙門氏菌及多形擬桿菌具有較為高效的巖藻糖操縱子，巖藻糖進入細菌體內后，誘導巖藻糖降解代謝相關酶的表達，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生一種可分泌因子，該因子可刺激腸道細胞巖藻糖基轉移酶(FUT)-2基因的表達，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，多數致病菌不產生巖藻糖苷酶，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生游離巖藻糖而發(fā)揮其腸道調節(jié)作用。從上述研究來看，巖藻糖可作為誘導物或碳源物質，調節(jié)腸道菌群平衡，但其作用機制仍不清楚。巖藻糖對病原菌毒力的調節(jié)作用尚無一致的結論，其在益生菌抑制致病菌毒力過程的作用也未見報道。

4 巖藻糖與腸道疾病密切相關

黏蛋白糖鏈的巖藻糖基化修飾水平與炎癥性腸病有關。對北歐相關病例的基因組分析表明，FUT-2缺陷型與炎癥性腸病的發(fā)生直接相關[36]，同時，FUT-2缺陷型個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)調控，直接影響炎癥性腸病的發(fā)生。Morrow等[37]對美國410例早產兒的研究發(fā)現，FUT-2缺陷型與新生兒壞死性小腸結腸炎(NEC)的發(fā)病率、死亡率高度相關，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。當FUT1第307號核苷酸發(fā)生G到A的錯義突變時，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體腸道健康具有重要作用，深入解析其作用機制，對于炎癥性腸病等腸道疾病的診斷、預防及治療均具有積極意義。

5 小 結

巖藻糖在腸道細菌的黏附、定植、免疫調節(jié)及微生態(tài)平衡過程中發(fā)揮重要作用。因此，從分子、細胞、組織、個體等多個層次研究巖藻糖基在腸道細菌黏附、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，將進一步明確腸道細菌的黏附機制。目前，關于黏蛋白分子中巖藻糖側鏈與動物腸道健康及腸道菌群的關系研究報道較少，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踐意義，將為利用益生菌預防、治療動物腸道疾病提供更加明確的依據。

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

(責任編輯 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

國家自然科學基金(31272461，31301984)；寧波市科技計劃項目(2013C11031)

王進波(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制研究。E-mail: wangjb777@126.com

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

S811.3

A

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