夏佳佳 徐程宇 秦貴信 潘 麗

(吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科學(xué)技術(shù)學(xué)院,長(zhǎng)春 130118)

腸道黏膜屏障主要包括腸道內(nèi)正常菌群、黏液層、腸上皮細(xì)胞以及免疫屏障[1],作用于腸道與外部環(huán)境之間,阻止有害細(xì)菌、毒素和其他外部刺激物質(zhì)進(jìn)入腸道。上皮細(xì)胞表面的高度糖基化的聚合黏蛋白是腸道抵抗物理和化學(xué)損傷的第1道防線,這種黏蛋白富含絲氨酸和蘇氨酸的蛋白質(zhì)骨架結(jié)構(gòu),并與多個(gè)O-連接的寡糖側(cè)鏈相連[2-3]。腸道杯狀細(xì)胞不僅分泌黏蛋白為腸道內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)提供機(jī)械保護(hù)屏障,而且還參與腸道免疫系統(tǒng)屏障[4],有助于保持腸道健康。此外,一些研究還發(fā)現(xiàn),改變黏蛋白的結(jié)構(gòu)和功能與腸道炎癥以及其他腸道疾病的發(fā)生和發(fā)展存在密切的關(guān)系[5]。

1 黏蛋白的概述

1.1 主要組成成分及結(jié)構(gòu)特征

黏蛋白的主要組成部分包括蛋白質(zhì)分子、糖基化物、氨基酸殘基修飾物和鐵離子等;其中,蛋白質(zhì)分子主要為黏蛋白,具有高分子質(zhì)量。多數(shù)腸道黏蛋白家族成員,如黏蛋白1(MUC1)、黏蛋白2(MUC2)、黏蛋白5B(MUC5B)和黏蛋白13(MUC13),在腸道中表達(dá),發(fā)揮不同的功能[6]。不同種類的黏蛋白中氨基酸的數(shù)量和類型存在差別,如MUC1有480個(gè)氨基酸[7],而MUC2則有5 100個(gè)氨基酸[8]。在糖基轉(zhuǎn)移酶和糖苷酶的作用下,糖基化物與氨基酸結(jié)合形成糖蛋白[9]。腸道黏蛋白糖基化的改變與腸道通透性增加以及對(duì)炎癥和感染的敏感性有關(guān)[10]。氨基酸修飾包括蛋白質(zhì)的磷酸化、甲基化和乙?；纫幌盗谢瘜W(xué)修飾,這些修飾可以改變黏蛋白的電荷和結(jié)構(gòu),從而影響腸道疾病的改變。在體外試驗(yàn)中,MUC2啟動(dòng)子區(qū)域的甲基化抑制了結(jié)直腸癌細(xì)胞系中癌癥基因的表達(dá)[11]。

黏蛋白的結(jié)構(gòu)主要由蛋白骨架和多糖鏈組成。蛋白骨架一般由10～15個(gè)氨基酸殘基經(jīng)肽鍵連接形成二級(jí)結(jié)構(gòu),例如α-螺旋和β-折疊[12],而多糖鏈則與蛋白骨架共同形成復(fù)合結(jié)構(gòu),通過糖苷鍵相連。黏蛋白的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)之一是它由大量富含絲氨酸、蘇氨酸和脯氨酸的串聯(lián)重復(fù)序列(STP重復(fù)序列)組成,這些重復(fù)序列占氨基酸的60%以上,使黏蛋白具有獨(dú)特的延展性和彈性,以適應(yīng)各種生物內(nèi)外環(huán)境的變化[13]。此外,MUC2在氨基和羧基末端,有時(shí)在STP重復(fù)序列區(qū)域之間,會(huì)存在一些由氨基酸組成的球狀蛋白區(qū)域,此區(qū)域有相對(duì)較少的O-糖基化和幾個(gè)N-糖基化位點(diǎn),但有高比例的半胱氨酸(超過總氨基酸比例的10%)[14]。黏蛋白5AC(MUC5AC)富含半胱氨酸的區(qū)域已被證明參與通過二硫鍵形成二聚體,隨后通過聚合二聚體形成多聚物[15]。

1.2 分類

黏蛋白是一類分布和功能各異的蛋白質(zhì),主要分為跨膜型黏蛋白和分泌型黏蛋白?？缒ば宛さ鞍淄ㄟ^其跨膜區(qū)域與細(xì)胞膜結(jié)合,在細(xì)胞內(nèi)外呈現(xiàn)出不同的結(jié)構(gòu)和功能,能夠直接與細(xì)胞外環(huán)境黏附分子結(jié)合并傳遞信號(hào)[16]。跨膜型黏蛋白的種類如表1所示,其在防止病原體穿透腸道黏液層引起腸道細(xì)菌感染方面發(fā)揮重要作用[16]。分泌型黏蛋白的種類如表2所示,是一類高度O-糖基化的糖蛋白,其富含半胱氨酸的區(qū)域在構(gòu)建和維護(hù)黏液層、保護(hù)黏膜免受損傷和對(duì)抗病原微生物侵襲方面起關(guān)鍵作用[17]。

表1 跨膜型黏蛋白的種類

表2 分泌型黏蛋白的種類

1.3 生理功能

腸道黏蛋白在形成屏障保護(hù)黏膜、附著微生物、參與信號(hào)傳遞等方面發(fā)揮關(guān)鍵作用,有利于維持腸道健康和正常功能。這些功能的協(xié)同作用在保護(hù)身體免受有害物質(zhì)侵害、維持菌群平衡、促進(jìn)免疫調(diào)節(jié)等方面具有重要意義。

黏蛋白具有保護(hù)黏膜屏障功能的作用。黏蛋白具有高度可延展的特性,能夠形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),參與細(xì)胞外基質(zhì)的構(gòu)建和維護(hù)[61]。這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不僅為細(xì)胞提供支撐和保護(hù)作用,對(duì)維持細(xì)胞的形態(tài)和機(jī)械穩(wěn)定性也具有重要作用。在結(jié)腸和小腸中,由分泌型MUC2構(gòu)成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),并形成內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定的腸黏液層[16]。黏蛋白的多聚結(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)的黏性和不溶解于水的特點(diǎn),且具有流動(dòng)性和可變性,并在不斷更新的過程中保持分泌和分解之間的平衡狀態(tài)[62]。黏蛋白的表達(dá)量或其糖基化結(jié)構(gòu)的改變與腸道屏障功能障礙有關(guān)。如在小鼠腸道中缺乏MUC2會(huì)導(dǎo)致腸道通透性增加、腸道出血,自發(fā)發(fā)展成腸道炎癥,并且嚴(yán)重影響小鼠的生長(zhǎng)發(fā)育[63]。

黏蛋白可參與細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)、黏附和遷移?？缒ゐさ鞍拙哂惺荏w樣結(jié)構(gòu),細(xì)胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域可通過磷酸化并激活信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑。過度表達(dá)的MUC1參與了腫瘤發(fā)展過程中的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo),促進(jìn)了腫瘤細(xì)胞的增殖、侵襲和轉(zhuǎn)移[64]。黏蛋白上具有多個(gè)黏附位點(diǎn),可以與其他細(xì)胞或基質(zhì)分子相互作用,用于維持細(xì)胞的分布和功能。此外,黏蛋白3(MUC3)富含半胱氨酸的結(jié)構(gòu)域在上皮恢復(fù)中發(fā)揮積極作用,在體外可促進(jìn)細(xì)胞遷移,并加速體內(nèi)腸道創(chuàng)面愈合[65]。

黏蛋白參與免疫應(yīng)答并具備免疫調(diào)節(jié)功能。黏蛋白作為一種遞呈抗原的載體,能夠與免疫細(xì)胞表面的受體結(jié)合,從而激活免疫細(xì)胞并促進(jìn)其與其他免疫細(xì)胞的相互作用。T細(xì)胞免疫球蛋白黏蛋白-3(Tim-3)作為負(fù)調(diào)節(jié)因子,可通過抑制小鼠腹膜巨噬細(xì)胞中的核因子-κB(NF-κB)反應(yīng),調(diào)節(jié)核苷酸結(jié)合寡聚化結(jié)構(gòu)域樣受體蛋白3(NLRP3)炎癥小體的活性[66]。此外,牛頜下腺黏蛋白亦可抑制炎癥反應(yīng)、減輕組織損傷,并通過清除自由基保護(hù)細(xì)胞免受氧化應(yīng)激的危害[67]。

2 黏蛋白與腸道黏膜屏障的關(guān)系

腸道黏膜屏障是抵御潛在有害物質(zhì)和傳染因子的主要防線。其中,黏蛋白是屏障中不可或缺的組成部分,其黏性和黏附能力可以協(xié)助腸道保護(hù)機(jī)體免受外界有害物質(zhì)侵害,同時(shí)促進(jìn)有害物質(zhì)的排除。

2.1 黏蛋白與機(jī)械屏障

腸道機(jī)械屏障即物理屏障,由覆蓋腸黏膜的黏液層、吸收性腸上皮細(xì)胞微絨毛上的糖萼以及與腸上皮細(xì)胞之間的緊密連接組成,機(jī)械屏障在腸道中為其他屏障提供物理支持,以實(shí)現(xiàn)不同功能。小腸是單層黏液層,而結(jié)腸有2層黏液層[68]。結(jié)腸內(nèi)黏液層緊緊附著在上皮細(xì)胞上,不能被細(xì)菌浸潤(rùn),MUC2的濃度較高;外層黏液層相對(duì)疏松,共生細(xì)菌和分泌型免疫球蛋白A(sIgA)定植在外黏液層中[69]。黏液層不斷更新,從腸腔中去除致病物質(zhì)。

研究表明,在沒有MUC2的小鼠中,根本沒有黏液層,細(xì)菌直接與上皮細(xì)胞接觸。這些動(dòng)物的隱窩深處和上皮細(xì)胞內(nèi)部也發(fā)現(xiàn)了細(xì)菌,這在健康動(dòng)物中是從未見過的[70]。因此,消化道缺乏黏液層的動(dòng)物更容易引起腸道炎癥,這證明黏液層在防止病原微生物進(jìn)入和傳播方面發(fā)揮了保護(hù)作用。研究發(fā)現(xiàn),MUC13通過抑制腸上皮細(xì)胞凋亡來(lái)預(yù)防腸道炎癥[31]。黏蛋白能夠調(diào)節(jié)緊密連接蛋白的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),增強(qiáng)細(xì)胞間連接的緊密性,從而減少物質(zhì)通過細(xì)胞間隙的可能性。缺乏MUC2基因的小鼠,緊密連接和黏附連接結(jié)構(gòu)缺陷,腸道通透性增加[71]。因此,黏蛋白與腸上皮細(xì)胞生物學(xué)功能的調(diào)節(jié)、腸道穩(wěn)態(tài)的維持和生理屏障完整性的保護(hù)等密切相關(guān)。

2.2 黏蛋白與免疫屏障

腸道免疫屏障主要由免疫細(xì)胞及其分泌物質(zhì)以及腸道相關(guān)淋巴組織(GALT)組成。在腸道黏膜內(nèi)發(fā)揮主要作用的免疫細(xì)胞有T淋巴細(xì)胞、B淋巴細(xì)胞和巨噬細(xì)胞,通過呈遞抗原、制造抗體和分泌細(xì)胞因子來(lái)協(xié)調(diào)免疫反應(yīng)[72]。B淋巴細(xì)胞位于腸黏膜表面,能夠釋放出含量最豐富的sIgA[73],從而形成保護(hù)性屏障,有效地防止病原微生物侵入黏膜,同時(shí)還負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)炎癥反應(yīng),維持黏膜屏障的完整性和穩(wěn)態(tài)[74]。

相關(guān)研究表明,黏蛋白能夠調(diào)節(jié)免疫細(xì)胞的黏附和活化,與免疫細(xì)胞相互作用并啟動(dòng)、調(diào)節(jié)免疫應(yīng)答[69],以增強(qiáng)免疫屏障的防御功能。通過黏蛋白給藥能夠誘導(dǎo)調(diào)節(jié)性T細(xì)胞和免疫球蛋白A(IgA)漿細(xì)胞群的擴(kuò)增,表明黏蛋白可促進(jìn)調(diào)節(jié)性T細(xì)胞的分化、遷移或增殖,增強(qiáng)免疫系統(tǒng)的發(fā)育[75]。研究證實(shí),通過增加糖基化的MUC1可能導(dǎo)致先天免疫系統(tǒng)中各種細(xì)胞的持續(xù)活化和積累,從而導(dǎo)致慢性炎癥的發(fā)生[76]。

2.3 黏蛋白與化學(xué)屏障

腸道化學(xué)屏障是由多種消化酶、溶菌酶和抗菌肽(AMPs)組成的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò),這個(gè)屏障可以防止腸道腔內(nèi)的細(xì)菌與腸黏膜上皮直接接觸[16]。消化酶和溶菌酶對(duì)微生物具有毒性作用,破壞微生物的細(xì)胞壁,發(fā)揮殺菌和溶菌作用。AMPs由腸上皮細(xì)胞產(chǎn)生,包括α-防御素、β-防御素、再生胰島衍生蛋白3γ(Reg3γ),對(duì)細(xì)菌具有廣譜和高效的殺菌活性,并阻止抗原進(jìn)入宿主細(xì)胞,從而保護(hù)化學(xué)屏障的功能[77]。腸道化學(xué)屏障是維護(hù)腸道微生態(tài)平衡的重要輔助功能。

研究證明,在黏蛋白層被破壞的狀態(tài)下,活化的胰蛋白酶能穿過腸上皮層進(jìn)入腸壁,可能激活其他酶,并通過蛋白酶降解上皮連接蛋白,打開另一條通道,使其他消化酶進(jìn)入腸壁和全身循環(huán),導(dǎo)致自身消化[78]。此外,牦牛β-防御素可緩解金黃色葡萄球菌感染所導(dǎo)致的炎癥,促進(jìn)黏蛋白的合成和分泌,以確保腸道黏膜屏障的完整性[79]。

2.4 黏蛋白與生物屏障

腸道生態(tài)由豐富多樣的微生物群落構(gòu)成,其中包括大腸桿菌、氣生菌、腸球菌、變形桿菌、阿克曼氏菌、梭狀芽孢桿菌和雙歧桿菌等。共生微生物與上皮層進(jìn)行信號(hào)交流,控制腸上皮細(xì)胞的更新速率,并強(qiáng)化上皮再生和屏障功能[80-81]。此外,微生物代謝產(chǎn)物也將作為信號(hào),激活腸道黏膜的先天免疫反應(yīng),有助于維持免疫平衡,減少過度炎癥和免疫相關(guān)疾病[82]。

腸道微生物與黏蛋白之間存在密切的關(guān)系。荷蘭微生物學(xué)家于2004年從腸道微生物中發(fā)現(xiàn)了阿克曼氏菌屬,其唯一的碳源為黏蛋白[83]。微生物與黏蛋白的黏附性能有助于維護(hù)腸道健康和微生態(tài)平衡。乳酸桿菌通過與黏液層相互作用,成功定植于腸道,保證其在腸道中的生存和繁殖[84]。此外,黏液層參與腸道微生物的定植和生長(zhǎng)調(diào)節(jié),為微生物提供生態(tài)位點(diǎn),協(xié)助益生菌定植并抑制有害菌,促進(jìn)腸道生物屏障的形成[85]。

3 黏蛋白與腸道健康的關(guān)系

腸道黏蛋白能夠通過多種機(jī)制引起腸道炎癥。首先,腸道黏蛋白的異常表達(dá)會(huì)導(dǎo)致腸道屏障破壞,使得有害物質(zhì)通過腸道黏膜進(jìn)入血液循環(huán),引起免疫細(xì)胞的異?；罨?激發(fā)炎癥信號(hào)通路,最終引發(fā)炎癥反應(yīng)并釋放炎癥介質(zhì)。如MUC1異常表達(dá),其串聯(lián)重復(fù)區(qū)域與啟動(dòng)子區(qū)域結(jié)合,通過NF-κB信號(hào)通路上調(diào)炎癥細(xì)胞因子白細(xì)胞介素-6(IL-6)和腫瘤壞死因子-α(TNF-α)的表達(dá),導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)炎癥相關(guān)基因的表達(dá)增加,進(jìn)而加劇炎癥反應(yīng)的程度[86]。當(dāng)腸道黏蛋白的表達(dá)和功能修復(fù)后,可以抑制炎癥反應(yīng)的發(fā)生。其次,腸道黏蛋白與腸道微生態(tài)之間相互作用。有試驗(yàn)表明,腸道黏液桿菌在某些病理情況下產(chǎn)生負(fù)面影響,表現(xiàn)為MUC2的分泌與降解之間的動(dòng)態(tài)平衡被破壞,腸道黏液層厚度降低,腸道屏障被破壞,最終加重結(jié)腸炎和結(jié)直腸癌的發(fā)展[87]。黏蛋白變性將導(dǎo)致腸道菌群的易位和腸道菌群與宿主免疫系統(tǒng)之間的相互作用紊亂,進(jìn)一步加重腸道炎癥。除此之外,腸道黏蛋白還與多種腸道疾病的發(fā)展密切相關(guān)。在潰瘍性結(jié)腸炎患者中,MUC2的表達(dá)顯著下調(diào),導(dǎo)致黏膜屏障受損[88],炎癥反應(yīng)加重。

黏蛋白已經(jīng)成為癌癥標(biāo)志物和癌癥免疫治療的廣泛研究對(duì)象,其在全球范圍內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用。研究發(fā)現(xiàn),黏蛋白的上調(diào)或下調(diào)可以影響腸道腫瘤細(xì)胞的增殖、侵襲與轉(zhuǎn)移能力。與正常組織相比,在結(jié)直腸腫瘤中黏蛋白15(MUC15)的表達(dá)異常,增強(qiáng)了結(jié)直腸腫瘤細(xì)胞的侵襲潛能[89]。且相較于正常的結(jié)腸組織,在結(jié)直腸癌細(xì)胞系中觀察到了黏蛋白12(MUC12)表達(dá)下調(diào)或未表達(dá)[90]。相反,在結(jié)直腸癌中,惡性程度較高的腫瘤表現(xiàn)出MUC13表達(dá)量的升高。MUC1的一個(gè)主要功能是充當(dāng)抗黏附蛋白的作用,以維持腫瘤細(xì)胞在壁層上皮中的腔內(nèi)的完整性,并促進(jìn)其轉(zhuǎn)移[91]。近年來(lái),為了更早地發(fā)現(xiàn)癌癥,黏蛋白被視為分析疾病進(jìn)展和診斷的潛在標(biāo)志物。比較不同腸道腫瘤中黏蛋白表達(dá)的差異,能夠?yàn)樵缙谠\斷、預(yù)后評(píng)估和治療監(jiān)測(cè)提供新途徑。通過對(duì)比研究MUC2和MUC13在結(jié)直腸癌中的表達(dá)情況,發(fā)現(xiàn)MUC13在結(jié)直腸癌中的表達(dá)量與腫瘤惡性程度呈正相關(guān)[92],而MUC2則相反,其在腫瘤患者腸道中表現(xiàn)為低表達(dá)量,而在術(shù)后恢復(fù)良好的患者中表達(dá)量升高[93]。

4 小 結(jié)

腸道黏蛋白形成的黏性保護(hù)層能夠阻止病原菌與腸道細(xì)胞黏附,減少炎癥反應(yīng),從而抑制疾病的發(fā)生。在動(dòng)物飼養(yǎng)方面,可通過調(diào)節(jié)黏蛋白的分泌量和糖基化結(jié)構(gòu),進(jìn)而有效調(diào)節(jié)動(dòng)物腸道健康。因此,深入研究黏蛋白的結(jié)構(gòu)、生理功能以及合成與分泌機(jī)制,在畜禽飼糧中添加有益成分(如益生菌等),可提高相關(guān)黏蛋白的表達(dá)量,改善腸道屏障功能,促進(jìn)動(dòng)物腸道健康和提高生產(chǎn)性能,為不同動(dòng)物群體的差異化精準(zhǔn)飼養(yǎng)提供理論依據(jù)。此外,進(jìn)一步研究黏蛋白對(duì)腸道黏膜屏障結(jié)構(gòu)和功能的影響機(jī)制,有助于揭示腸道健康與疾病之間的關(guān)系,為人類腸道疾病的預(yù)防和治療策略提供生物醫(yī)學(xué)方面的重要參考。