肠道菌群对黏蛋白2的影响及其作用机制

黄则华 曾 悦 黄春兰

上海交通大学附属第一人民医院消化科(201620)

黏蛋白2(mucin 2, MUC2)参与组成的肠黏液屏障，是抵御肠道致病菌和外源性有害物质入侵的第一道天然屏障，MUC2质和量的改变与多种肠道疾病相关。肠道菌群种类繁多、数量庞大，菌群之间相互依存、相互制约，共同形成一个动态平衡的微生态系统，维持肠道的正常生理功能。肠道菌群的改变可通过不同作用机制影响MUC2的质和量，从而导致一系列疾病的发生、发展。本文就肠道菌群对MUC2的影响及其作用机制作一综述。

一、 MUC2的结构、功能及其与肠道疾病的关系

1. MUC2结构和功能：MUC2是由肠道杯状细胞分泌的一种高度糖基化的分泌型黏蛋白，其单体是含有N端氧化糖基化域和C端半胱氨酸富含域的同源寡聚体；MUC2单体经二硫键(S-S)构成二聚体后储存于肠道杯状细胞中；当MUC2二聚体释放入肠道后，可再通过C端的二聚化或N端的三聚化最终形成聚合物，并参与构成黏液层的骨架[1-2]。MUC2具有高度糖基化的半胱氨酸残基，可令其亲水性提高，起到润滑肠黏膜的作用，使小肠的移行运动复合波增加，从而有利于将细菌自小肠运输至结肠，起到维持小肠相对无菌状态的作用。同时MUC2的此特性亦可使肠道上皮细胞受到的机械应力减少[3]。MUC2糖基化的程度(主要为O-型寡聚糖链)决定了其对肠黏膜的保护作用。MUC2的寡聚糖链结构可给肠道菌群中的益生菌提供生态位点以黏附结合，协助益生菌在肠道内定植，发挥生物屏障作用。同时该结构亦可为分泌型免疫球蛋白IgA以及抗菌肽等提供结合位点，辅助肠黏膜的免疫屏障发挥作用[4]。

2. MUC2与肠道疾病的关系

①MUC2与肠道感染：研究[5-6]表明，与野生型小鼠相比，敲除MUC2基因的小鼠更易发生由溶组织阿米巴激发的肠道炎症反应和蠕虫感染，而在易感蠕虫的小鼠盲肠黏膜中，则可观察到MUC2蛋白表达明显减少。另有研究[7]显示，MUC2-/-小鼠感染枸橼酸杆菌后，相较于野生型小鼠，其黏膜层表面和粪便中的枸橼酸杆菌含量均增加。上述研究证实MUC2与肠道黏膜抵御肠内有害菌和外源性有害物质入侵的能力密切相关。

②MUC2与炎症性肠病(IBD)：有研究指出，溃疡性结肠炎(UC)患者肠道中MUC2分泌减少，肠道黏液层变薄且不连续[8]。在杯状细胞内质网内可发现堆积有部分合成或折叠错误的黏蛋白，可引起内质网应激，使成熟黏蛋白分泌减少[9]。同时，在UC患者肠道中还发现黏蛋白结构改变，主要表现为黏蛋白糖基化减少以及寡糖侧链缩短[10]。而在克罗恩病(CD)患者肠道中则发现MUC2分泌增加，但其寡糖链同样缩短[11]。

③MUC2与结直肠癌：研究[12]表明，敲除MUC2基因的小鼠有自发发展为肠道炎症、肠道肿瘤的倾向；在结直肠癌患者的肠道组织中，MUC2的表达水平呈明显下降趋势，且与肿瘤分化、淋巴结转移和血管浸润呈负相关。MUC2表达缺失是结直肠癌不良结局的预测因子之一[13]。

二、肠道菌群对MUC2的影响及其作用机制

肠道菌群数量约10万亿个，是人体细胞总数的10倍[14]；肠道内的优势菌群与人体呈共生关系，有益于机体，称为益生菌。肠道常见的益生菌包括乳酸杆菌属、双歧杆菌属、拟杆菌属等。肠道菌群具有重要的生理调节作用，主要包括生物拮抗、防御感染、参与免疫系统的建立和调节以及代谢和营养等作用[15-16]。

与常规饲养小鼠相比，无菌饲养小鼠肠道杯状细胞数量减少、形态变小，黏液层变薄且通透性增加；将常规饲养小鼠的肠道菌群定植至无菌小鼠肠道中后，后者肠道可形成与常规饲养小鼠相似的黏液层[17]。Jakobsson等[18]的研究发现，在两种具备不同肠道菌群的C57BL/6小鼠群体中，虽然结肠黏液厚度相似，但两组小鼠肠道黏液屏障的通透性却存在明显差异；将此两组小鼠的菌群分别移植至无菌小鼠肠道中后，无菌小鼠的肠道黏液表型分别与其对应的捐献组相似。因此推测肠道菌群与肠道黏液层的发育密切相关。

1. 肠道菌群对MUC2合成的影响及其作用机制

①肠道菌群调节MUC2基因转录：肠道细菌产物如脂多糖(LPS)、鞭毛蛋白以及细菌诱导产生的炎性因子，如肿瘤坏死因子(TNF)-α、白细胞介素(IL)-13等均可调节MUC2基因转录。LPS与肠上皮细胞表面的Toll样受体4(TLR4)结合后，通过髓样分化因子88 (MyD88)依赖性信号通路活化核因子(NF)-κB，并使其结合至MUC2启动子的相应位点上(-1441-1452碱基对位置)，从而上调MUC2转录[19]；同时LPS亦可通过非MyD88依赖性信号通路，即通过介导干扰素(IFN)以及干扰素调节因子3(IRF3)上调MUC2转录。TNF-α同样可通过NF-κB途径上调MUC2转录，但同时亦能通过c-Jun氨基末端激酶(JNK)途径抑制MUC2转录[20]；JNK抑制途径仍可导致MUC2表达下降，引起黏液层和上皮层破坏。此两种调节机制间的相互作用有待进一步深入研究。IL-4和IL-13可通过丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)介导的NF-κB途径正向调节MUC2转录，此外亦可通过激活由MAPK和p38通路介导的环磷腺苷效应元件结合蛋白/转录激活因子1(CREB/ATF1)上调MUC2 转录[21]。

肠道益生菌群可通过提供MUC2合成所需相关营养物质(如维生素B、K、D以及氨基酸)以及通过短链脂肪酸(尤其是丁酸盐、乙酸盐)等上调MUC2转录[22]。研究发现，丁酸可通过促进激活蛋白-1(AP-1)转录因子与MUC2启动子中相应位点结合，以及通过组蛋白乙酰化修饰(如H3、H4乙酰化等)上调MUC2 mRNA表达[23]。此外，丁酸还可通过使MUC2基因去甲基化上调MUC2转录。

②肠道菌群调节MUC2蛋白翻译后修饰：MUC2翻译成蛋白后需经过一系列的修饰如二硫键的形成、糖基化等才能成为成熟具有功能的黏蛋白。MUC2糖基化包括O型、N型糖链的合成，此过程是在多种糖基转移酶催化下完成的；MUC2蛋白相对分子质量的80%由O-型糖链组成，MUC2的功能与糖基化密切相关。Bry等[24]的研究通过对常规和无菌饲养小鼠的比较发现，无菌小鼠体内缺乏糖基化岩藻糖和α-1，2岩藻糖基转移酶mRNA，当其经过肠道菌群定植饲养后，体内岩藻糖基化程序恢复。Wrzosek等[25]的研究发现，多形拟杆菌、普拉梭菌可增加糖基转移酶的合成并促进MUC2糖基化，且此可能依赖于肠道细菌产生的短链脂肪酸的调节。近年一项研究[26]发现，活泼瘤胃球菌E1能通过分泌一种增加MUC2糖基化转移酶基因表达的肽样因子调节MUC2糖基化，此种因子因其肽样性质不同于短链脂肪酸，被认为是一种未曾报道过的因子。

MUC2硫酸化可增强肠道抗炎能力，与MUC2硫酸化相关的磺基转移酶包括GAL3ST2、CHST5等[27]。细菌产物及其引起的炎性因子分泌可大量诱导磺基转移酶形成，其中TNF-α、IL-13可增加CHST5表达，TNF-α、IL-13、鞭毛蛋白可增加GAL3ST2表达，使MUC2硫酸化，通过增加黏液黏度和减少细菌黏附提高肠道抗炎能力[28]。然而，近期有研究[29]显示，MUC2硫酸化一方面是机体对细菌感染产生的应答，另一方面则是由于部分细菌“主动为之”，如福氏志贺菌可通过三型分泌系统(TTSS)途径诱导MUC2硫酸化，其基因组序列中至少存在3个编码硫酸酯酶的基因(yejM、yidJ、ORF1680)，MUC2硫酸化有利于表达硫酸酯酶的细菌建立其生态位点而不利于不具备此类降解酶的细菌定植。故MUC2硫酸化有其两面性，一方面可增加黏液黏度、减少大部分细菌黏附，另一方面反而为少数具备硫酸酯酶的致病菌提供了黏附位点。

2. 肠道菌群对MUC2分泌的影响及其作用机制：MUC2的分泌分为两种途径，一种是基础分泌途径，通过细胞骨架运动小剂量持续性分泌MUC2，更新肠道黏液层并维持其完整性；另一种则是调节分泌途径，在各种病理生理刺激下，杯状细胞可通过胞吐作用释放大量 MUC2[30]。两种途径分泌MUC2所需的杯状细胞可能不同，肠上皮表面的杯状细胞通过基础分泌以维持肠道黏液层，而肠隐窝内的杯状细胞则在受刺激时通过调节途径分泌大量MUC2[31]。

Birchenoug等[32]的研究发现，结肠隐窝入口处的杯状细胞起着哨兵作用。当各种生物活性物质如LPS、TNF-α、次级胆汁酸盐等刺激哨兵杯状细胞时，会发生非特异性内吞并通过TLR和MyD88依赖性Nox/Duox活性氧(ROS)合成途径，激活该途径下游的NLRP6(Nod-like receptor pyrin domain-containing protein 6)炎性小体。NLRP6炎性小体高度表达于肠上皮且特异性定位于成熟杯状细胞顶端区域，被认为与MUC2的调节、分泌密切相关；NLRP6被激活后与含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶(caspase)-1以及含半胱天冬酶补充结构域(CARD) 的凋亡相关颗粒样蛋白(ASC)通过N端的热蛋白结构域(PYD)蛋白-蛋白连接作用组成NLRP6炎症复合体，从而触发哨兵杯状细胞发生钙离子依赖性MUC2胞外分泌，并产生一种胞内间隙连接信号，诱导结肠隐窝邻近杯状细胞继续分泌MUC2，以达到大量分泌MUC2的目的[33]。

MUC2的调节分泌途径是机体对肠道细菌感染的应答，通过大量释放MUC2入肠腔，冲刷肠腔内细菌，保护肠上皮抵御细菌入侵。然而当长期存在细菌及其产物等的刺激时，MUC2持续大量分泌，会造成杯状细胞耗竭，使MUC2合成、分泌减少，肠黏膜抗感染能力下降。此外，有研究[34]发现沙门菌可通过激活IFN-γ受体影响杯状细胞内填充黏液的囊泡产生，从而减少黏液分泌。

3. 肠道菌群对MUC2降解的影响及其作用机制：肠道菌群对MUC2降解的影响主要包括以嗜黏蛋白艾克曼菌为代表的益生菌群的缓慢降解作用，其目的在于维持黏液层的动态平衡；以及以致病性大肠埃希菌为代表的致病菌的快速降解作用，其目的是破坏黏液层的完整性。

嗜黏蛋白艾克曼菌利用肠道黏蛋白作为惟一的碳源和氮源，其能产生61种与黏蛋白降解相关的酶(如硫酸酯酶、糖苷酶等)，在这些降解酶中发现了BACON结构域，此结构域可能参与黏蛋白酶与黏蛋白的结合过程[35]。嗜黏蛋白艾克曼菌降解黏蛋白的这一特性使得其在肠道中定植于稀疏的黏液外层，与其他定植在肠腔中的微生物相比，其代谢产物如短链脂肪酸等存在于靠近肠上皮细胞的黏液层中，为肠上皮细胞提供能量。此外，丙酸可通过G蛋白偶联受体43(Gpr43)，其他短链脂肪酸可通过Gpr41引起一系列信号通路变化，上调杯状细胞合成MUC2并促进其分泌；此过程使嗜黏蛋白艾克曼菌可降解黏液层，但不导致黏液层厚度变薄[36]。嗜黏蛋白艾克曼菌与内源性蛋白酶共同参与维持黏液层的动态平衡，维持黏液层正常生理厚度。

致病性大肠埃希菌可通过多种方式降解MUC2，YghJ是其分泌的一种高度保守的金属蛋白酶，能以剂量依赖性的方式降解MUC2，从而破坏肠黏液屏障[37]。致病性大肠埃希菌亦可合成丝氨酸蛋白酶自动转运家族(SPATE)蛋白，并通过自动转运分泌至菌体外；SPATE蛋白由N端的可剪切信号肽序列、C端的转运单位以及中部的载乘结构域组成。中部的载乘结构域内包含丝氨酸蛋白酶的催化结构域GDSGS，赋予了SPATE蛋白降解MUC2的能力[38]。

三、结语

MUC2是组成肠黏液屏障的主要成分，在防御致病微生物入侵以及协助肠道益生菌定植等方面均具有重要作用。肠道菌群参与调控人体的诸多生理功能，可通过不同机制调控MUC2的合成、分泌以及降解，从而影响MUC2的质和量。然而，肠道菌群对MUC2的作用并不像“单一菌群提供所有益处”或“单一菌群均有害”那样简单。目前，对MUC2与肠道菌群间的关系虽有一定了解，但其间许多错综复杂的联系仍未明确。后续有望通过深入研究获得更多关于MUC2与肠道菌群相互作用的新发现。