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编译：小范儿，编辑：小菌菌、江舜尧。 原创微文，欢迎转发转载。 胃肠道通常被认为是一个重要的器官，参与食物的消化和提供营养物质给身体，以进行适当的维护。然而，这个系统是由极其复杂的器官组成的。在不同的部分中，肠道被视为与环境接触的一个不可思议的表面，被数以万亿计的肠道微生物占据。肠道屏障的作用已经研究了几十年，但参与保护肠道屏障的确切机制是多种多样和互补的。其中，黏液屏障的完整性是保护胃肠道的第一道防线。在过去，这种“黏糊糊的”伴侣大多被认为是一种简单的润滑剂，可以促进食物丸和肠道内粪便的生成。此后，不同的研究人员取得了重要的进展，目前，这一粘液屏障的调控越来越受到科学界的关注。在影响黏液屏障的诸多因素中，微生物组对黏液的改变起着重要的推动作用。此外，我们的饮食习惯(如高脂饮食、低纤维/高纤维饮食、食品添加剂、前益生菌)对黏液有不同程度的影响。考虑到黏液层与疾病的出现有关，对黏液层的了解是非常必要的。在这里，我们讨论黏液层的不同方面，重点讨论黏液层的化学成分，微生物群的合成和降解的调节，以及在生理和病理情况下黏液层的一些特征。 论文ID 原名：Mucus barrier, mucins andgut microbiota: the expected slimy partners? 译名：粘液屏障、粘蛋白和肠道菌群:预期的黏液伴侣? 期刊：Gut IF：17.943 发表时间：2020.09 通讯作者：Stephanie C.Ganal-Vonarburg& Andrew J. Macpherson 作者单位：比利时鲁汶大学鲁汶药物研究所新陈代谢和营养研究小组 主要内容 1 粘液的结构与组织 2 粘液转化和降解 3 粘液的作用 4 粘液和肠道菌群的双向作用 5 肠道菌群的组成从粘膜到管腔侧各不相同 6 粘液层如何变化以及后果如何 7 粘液层增强 8 总结与评论 主要内容 1 粘液的结构与组织 粘蛋白是一个大型，复杂的糖基化蛋白家族，其特征是一个重要的元素“粘蛋白结构域”。由一个蛋白质核心组成，该蛋白质核心由含有脯氨酸（Pro），苏氨酸（Thr）和丝氨酸（Ser）氨基酸残基的序列组成，称为富含PTS的序列，通常串联在一起重复，其中Ser和Thr广泛地被O-糖基化，赋予类似“瓶刷”的构象（图1）。氨基酸Pro可以确保粘蛋白的结构在高尔基体中保持未折叠状态，允许O-糖基化过程（所有化学步骤均在图1和2中进行了详细说明），粘蛋白质量的80％以上是由O-聚糖和O-糖基化组成的糖基化是影响粘蛋白的主要修饰形式和类型。O-糖基化是一个重要的过程，除了赋予结合和可溶于水以及形成凝胶的能力外，它还允许创建聚糖涂层，隐藏粘蛋白的蛋白核心并保护其免受内源性蛋白酶降解。糖基化沿着消化道的不同区域以及在个体之间是不同的，这取决于糖基转移酶的表达，健康或疾病的状态以及微生物定植。然而，已经表明，在人的大肠远端部分中的个体之间聚糖是均匀的。此外，在健康个体中，观察到MUC2 O-糖基化分布在定性和定量上也是均匀的。最后，粘蛋白可以分为两种不同的类型：跨膜粘蛋白和形成凝胶的粘蛋白。 图1 MUC2的化学结构和肠内黏液的合成。 MUC2的特定结构包括不同的步骤，这些步骤涉及添加由肽基-GalNAc转移酶进行的第一个糖基化反应，该步骤将第一个糖N-乙酰半乳糖胺（GalNAc）残基添加到PTS序列的Ser和Thr中。随后用例如GalNAc，半乳糖，N-乙酰氨基葡萄糖（GlcNAc），N-乙酰神经氨酸（NeuAc）和硫酸根基团延长O-聚糖链的延伸和分支。肠上皮细胞表面的跨膜粘蛋白插图。脯氨酸，丝氨酸，丝氨酸；苏氨酸，苏氨酸。 图2 粘液在小肠和大肠中的产生和分布 代表小肠和大肠中粘液层的类型（内粘液层和外粘液层）。鉴定在杯状细胞中产生粘液及其在管腔中的分泌和扩增的步骤（从1到7）。首先，MUC2单体在内质网（ER）中形成二聚体，然后在高尔基体中被O-糖基化，而在跨高尔基体网络（TGN）中，MUC2粘蛋白二聚体形成三聚体，该三聚体堆积在分泌小泡内。粘液分泌是一个复杂的过程。当杯状细胞从隐窝底部迁移时，其杯状细胞充满Muc2，并含有其他成分，例如IgG结合蛋白（FCGBP）的Fc片段，氯通道附件1（CLCA1），酶原颗粒蛋白16（ZG16）和前梯度同源物2（AGR2）。分泌囊泡与杯状细胞的顶膜融合后，通过胞吐作用挤出其内容物，从而允许粘液分泌。最后，由于囊性纤维化跨膜电导调节剂（CFTR）通道可使粘蛋白形成，因此必须将包装好的粘蛋白暴露于多种因素下，例如pH，Ca + 2浓度和碳酸氢根离子（HCO3-）的变化。通过扩大体积至100-1000倍并结合水来形成网状结构。 1.1 跨膜黏蛋白 跨膜粘蛋白被合成并附着在肠上皮细胞的细胞膜上，覆盖在其根尖表面(图1和图2)。它们的特征是N端胞外结构域，一个或多个粘蛋白结构域，跨膜结构域和C端胞质尾，其磷酸化位点参与细胞内信号转导（图1）。在不同的粘蛋白中，MUC1/3/4/12/13/15/17/20和21在肠道的不同位置被发现(图3)。MUC3/ 12/17的N端胞外粘蛋白结构域从肠细胞微绒毛的尖端进入肠腔约1μm，表明它们参与肠细胞的密集糖基化糖蛋白复合物的形成。MUC3/4/12/13和17始终表达，而MUC1和MUC16仅在对癌症和感染的反应中上调。这些粘蛋白不促进黏液凝胶的形成，它们的主要功能是保护细胞。它们可能是腔环境的传感器，并参与宿主与微生物的相互作用。需要进一步了解其特定功能以及肠道中其他可能类型的存在。 图3 小鼠和人类肠道内黏液的厚度和黏液的类型。 描述黏液的类型和黏液厚度在小鼠和人类胃肠道的不同部分，以及他们的具体角色。 1.2 形成凝胶的粘蛋白 形成凝胶的粘蛋白（具有凝胶状特性）是由杯状细胞（图2）分泌和合成的，杯状细胞的数量比小肠绒毛和结肠上部的隐窝中的杯状细胞数量多（图2和3）。在形成凝胶的粘蛋白中，MUC6在布鲁纳氏腺的十二指肠中表达，MUC5B在结肠中表达较弱，而粘蛋白2（MUC2 / Muc2）是胃肠道中分泌最多的粘蛋白。值得注意的是，在下文中，粘蛋白在指人类（即MUC2）时以大写形式表示，而对于动物，只有首字母大写（即Muc2）。MUC2是肠粘液的主要成分，存在于小肠和大肠中并形成粘液骨架（图1），但如图3所示，也有仅在胃肠道特定位置表达的特定粘蛋白。值得注意的是，肠道粘液的主要成分MUC2粘蛋白的生物合成非常复杂，并且包括图1和图2中详述的几个步骤。 杯状细胞用Muc2填充其分泌囊泡，同时从隐窝底部迁移，并包含其他粘液成分，例如IgG结合蛋白的Fc片段，氯通道附件1，酶原颗粒蛋白16和前梯度同源物。分泌小泡与根尖膜融合后通过胞吐作用将其内容物挤出。分泌后，为了使包裹的粘蛋白适当膨胀，有必要将粘蛋白暴露在pH值升高和钙浓度降低的环境中。碳酸氢根离子（HCO3-）参与该过程，并由囊性纤维化跨膜提供电导调节剂通道，通过结合水并形成保护性屏障，使包装的粘蛋白形成网状结构，体积膨胀100-1000倍（图2）。 1.3 小肠和大肠的区别 在人体中，杯状细胞与肠上皮细胞的比例沿肠道变化，据估计，杯状细胞在肠上皮中的比例约为十二指肠的4%，空肠的6%，回肠的12%，远端结肠的16%(图2和图3)。这种逐渐的变化可以用以下事实解释：沿着肠道，杯状细胞的比例随着微生物数量的增加而成比例地增加。在小肠中，粘液分泌在隐窝中，并且MUC2粘蛋白在分泌后锚定到杯状细胞中，为了使其分离，蛋白酶meprinβ的干预是必需的，其本身在细菌暴露的控制下释放（图2）。此外，粘液是未附着的，在实验上很容易去除（即容易吸出）并形成不连续的层。 它也相对多孔允许不同成分和细菌穿透。然而，在生理情况下，除了绒毛尖端或分节丝状细菌(SFB)外，没有细菌与肠上皮细胞接触。值得一提的是，粘液厚度沿小肠的不同部分变化，但也取决于所考虑的物种。尽管在动物中，文献中提供的数据仍然有限并且存在一些差异，但据建议，在小鼠中估计的总粘液厚度在十二指肠中约为500μm，在空肠中约为250μm，在回肠中约为200μm，在大鼠中，十二指肠约170μm，空肠约124μm，回肠约480μm（图2和图3）。关于人类小肠的粘液厚度，考虑到在体内难以获得这些测量值，尚无可用的研究；因此，需要进行进一步的研究以获得真实的情况。 在大肠中，黏液组织在两层：内层和外层(图2)。虽然观察到它们的蛋白质结构几乎相同，但它们之间存在显著差异。内黏液层不断被MUC2黏液蛋白填充，锚定在杯状细胞上，并附着在上皮上。由于它在平面上的组织，一个放在另一个下面，形成一个层状的内部黏液层，因此具有分层的外观(图2)。在小鼠模型中，我们可以看到，细菌无法穿透内部黏液层，因为它的孔隙大小可以缩小到0.5 mmol。在距上皮一定距离处（小鼠约为50μm，人类约为200μm），内黏液被内源蛋白酶转化为外黏液层，形成了将两者分开的清晰边界（图2）。外部粘液层体积膨胀四倍，保持网状结构并避免由于二硫键而使粘液凝胶溶解。这种转化似乎取决于宿主而不是细菌，因为无菌（GF）小鼠还具有外部粘液层。但是，细菌也可能对此有所贡献。此外，与内部黏液层相比，外部黏液层是非附着的(也称为“松散的”黏液)，因此易于吸液，易溶于离液盐氯化胍盐中，并且外部边界不太明确。此外，它具有较大的毛孔，因此可渗透直径最大为0.5μm的细菌或孢子，是共生细菌的栖息地。 就像在小肠中一样，在结肠中粘液的位置也不同。一项最新的啮齿动物研究表明，近端结肠和远端结肠之间的粘液组织存在差异。实际上，已经显示出粘液附着在粪便颗粒上并且在远端结肠的上皮表面上不存在。此外，厚度也是可变的，不仅取决于结肠段，也取决于考虑的动物种类(图3)，还根据分泌和降解率之间的平衡不同。而且，据估计，外黏液层的厚度是内黏液层的两倍，而且似乎内黏液层的厚度是随时间保持不变的。 在人类结肠中，由于手术切除的标本，黏液的厚度也被测量出来，然而，正如已经指出的小肠，在动物模型和人类模型中，对大肠黏液层厚度的研究都有很大的局限性。综上所述，需要强调的是，大多数观察结果都是在动物模型或体外人类细胞中获得的，这进一步引发了一个逻辑问题:“这是在体内实际发生的事情吗?”因此，很难将这些数据推广到所有人群。最后，有人提出，当饮食中缺乏特定的膳食纤维时，黏液降解细菌的比例会增加，这意味着在缺乏这些膳食成分的情况下，黏液可能会成为肠道微生物群的能量来源。虽然这已经非常复杂，但我们不能排除影响肠道粘液的其他重要粘蛋白、成分和过程仍有待发现。 2 粘液转化和降解 肠道黏液层的转化包括黏液的合成、分泌和降解，这是一个需要调控和平衡的精细过程，以确保黏液保持最佳的保护功能。它在大肠和小肠之间是不同的，实际上，在上肠道中，隐窝的杯状细胞中的Muc2粘蛋白的转化比绒毛和结肠中的慢，其表面杯状细胞不断分泌内部粘液结肠隐窝上部的杯状细胞会在压力刺激下分泌粘液。在活的鼠的远端结肠组织中，有人建议每隔1-2小时对内黏液层进行更新。此外，估计人的自发粘液生长约为240μm/小时，而小鼠约为100μm/小时。粘液降解通常是由于蠕动的机械剪切力造成的物理破坏和微生物酶的酶解，之后黏液随肠道内容物运往直肠，最终随粪便排出。在结肠中，外黏液层的MUC2转化使细菌能够降解粘蛋白多糖。 3 粘液的作用 肠道黏液层在保护肠道免受机械、化学和生物攻击方面起主要作用，并有助于维持肠道内稳态。它在肠道细胞上形成一层保护层，保护它们免受外部有毒物质、消化酶和细菌的侵袭。粘液的重要保护功能突出于它持续向消化道的分泌:大约每天10升。 粘蛋白聚糖结合水的能力赋予粘液保湿和润滑性能，在上皮内含物和蠕动力传递过程中保护上皮细胞免于脱水和机械应力。此外，粘液还可以作为表面清洁剂，通过以下方式清除碎屑和细菌：除其他功能外，肠粘液层还形成了扩散屏障，其中小分子（例如离子，水，营养物和气体）可以很容易地通过它扩散并到达肠上皮细胞。粘液的保护功能也归因于其与免疫系统的协同作用。事实上，黏液是先天肠粘膜屏障的一部分，通过参与减少抗原和细菌暴露于肠上皮细胞下的免疫系统，因此成为针对可能有害化合物的免疫防御的第一线。几项研究表明，由于粘液层具有聚糖，它们也具有直接的免疫学作用，这种聚糖能够通过在后者上发现的凝集素样蛋白直接与免疫细胞结合。此外，MUC2粘蛋白增强肠的稳态和口服耐受性，影响树突状细胞和肠上皮细胞，而MUC2受体复合物抑制树突状细胞中的炎症反应。 黏液层在与肠道菌群的相互作用中起着重要作用，提供营养物质和附着位点。小肠和大肠的粘液保护功能不同。第一种情况是，粘液形成大孔隙，细菌和其他成分可以穿透，但尽管如此，在正常情况下，细菌和上皮细胞的接触是有限的。事实上，黏液的持续基础分泌形成流向管腔的流动，再加上抗菌剂(如溶菌酶DMBT1、IgA、防御素、REG3酶和磷脂酶A2-IIA)的协同作用，使细菌远离上皮表面。这些抗菌药物由隐窝底部的Paneth细胞和肠上皮细胞分泌，与分泌的粘液混合，被保留并通过粘液扩散，避免快速稀释而流入肠腔。此外，它们扩散缓慢，形成一个抗菌扩散梯度，其浓度从上皮细胞到肠腔下降。相比之下，在结肠，内部黏液层实际上是对抗细菌的第一道防线，形成一个大小的过滤屏障，将细菌从上皮细胞和免疫系统中分离出来。这种分离已在人类的活检标本中显示出来。 4 粘液和肠道菌群的双向作用 肠道微生物群在肠道中分布的梯度沿其路径变化;事实上，微生物密度从肠道的近端到远端都在增加，每克肠道内容物中微生物细胞的数量如下:十二指肠103，空肠104，回肠107，结肠1012。此外，微生物密度从上皮细胞向管腔方向增加，在管腔中发现的细菌数量最多，与管腔相比，确实很少有细菌种类能很好地适应黏液层并驻留在粘液层中。除了这一重要的黏附功能外，肠道微生物群对调节肠道黏液层有重要作用。该观察的最初证据来自在GF小鼠中进行的研究。例如，肠道微生物群是形成适当黏液层的基础，而且GF小鼠的黏液与常规饲养(Convr)小鼠的黏液不同。首先，在GF小鼠中，填充的杯状细胞数量较少，小肠粘液被锚定在杯状细胞上，无法通过实验将其吸出。 如前所述，要从小肠释放粘液，需要meprinβ酶的作用，而这又需要激活肠道菌群，而粘液分离是维持小肠动态平衡的重要步骤。此外，与Convr小鼠相比，结肠内黏液层更薄，细菌可穿透。甚至糖基化谱在两组小鼠之间也存在差异，最明显的GF黏液差异是2种三糖核和2种单唾液酰化的2核异构体。此外，细菌产物可能参与这些过程，因为脂多糖(LPS)和肽聚糖刺激GF小鼠的粘液分泌，并在与传统饲养动物相似的程度上恢复粘液特性。综上所述，这些研究发现，小肠和大肠中的保护性黏液依赖于细菌或其成分和代谢物的存在来成熟和发展其适当的结构。 虽然这些数据很有趣，但仍有许多问题没有得到解答。例如，“肠道菌群和相关化合物以哪种确切的方式有助于形成适当的粘液层？”“ meprinβ激活是独特的机制，还是我们还需要发现其他潜在的机制？”在这种情况下，另一个非常重要的问题是“是否有特定的肠道菌群组成或特定的独特细菌负责这些影响?”这些关键问题需要进一步研究，以充分了解肠道微生物群及其相关分子如何影响肠道粘液的形成和降解。 4.1 肠道菌群的组成影响粘液的性质 肠道菌群组成在影响肠道粘液中起着关键作用，这一事实在一项研究中得到了很好的说明，比较了基因相同但被安置在同一动物设施不同房间的两组老鼠。研究人员发现，尽管这些老鼠拥有相同的遗传背景，但在不同的房间饲养它们与不同的肠道菌群组成有关，因此，在肠道粘液属性方面存在一些差异。特别是，研究人员发现一个菌落有一个结肠黏液层，细菌或有细菌大小的孢子无法穿透，而另一个菌落则相反。他们证明，这种差异可以归因于肠道菌群的组成，因为黏液的性质是在将盲肠菌群移植到GF小鼠后传播的。在这一阶段，他们的研究表明，一些细菌(如Erysipelotrichi class, Allobaculum)能够更好地诱导内黏液层的不可穿透性，而其他菌门(如Proteobacteria和TM7)则具有相反的作用。 在这一重要的观察之后，关键问题之一可能是“肠道菌群影响黏液组成的机制是什么?”一个可能的答案是糖基转移酶的表达模式。的确，特定细菌的存在和数量塑造黏液的糖基轮廓，并与许多糖基转移酶直接相关，在肠道微生物群存在时，糖基转移酶的水平会增加。例如，已经观察到一些细菌能够诱导宿主岩藻糖基转移酶的表达，所述宿主岩藻糖基转移酶在α-1，2位添加L-岩藻糖和唾液酸转移酶。此外，宿主细菌群落能够影响MUC2糖基化和跨膜粘蛋白的糖基化。 5 肠道菌群的组成从粘膜到管腔侧各不相同 正如人类和小鼠所观察到的那样，肠道微生物群的组成会发生从黏膜到腔/粪便侧的变化。众所周知，管腔和粘膜相关菌群是不同的生态系统，具有不同的微生物多样性和组成以及不同的代谢和免疫功能。在人类和小鼠身上都显示出许多因素影响肠道内的细菌分布。其中，我们可以提到饮食、氧梯度、黏液、抗菌剂、微生物粘附和宿主免疫系统可能是最重要的。特别是肠道氧和营养物质的分布都能影响粪便和粘膜附着菌群的肠道菌群组成，说明氧可以促进或阻碍上皮表面附近的一些微生物的生长。 5.1 粘膜相关菌群 肠道粘液层为肠道菌群提供一个自然的生物选择性栖息地，由于黏液多糖的存在，被称为“黏液相关微生物”的特殊微生物能够存活，黏液多糖作为细菌的附着位点，促进细菌的定植。肠道菌群领域的主要警告之一是，与粪便肠道菌群相比，粘膜菌群的确切组成仍然缺乏研究。然而，一些研究表明，一般而言，在人类和啮齿动物中，黏液层的厚壁菌门的丰度要高于拟杆菌门。也有研究表明，粘膜侧富含Lachnospiraceae、Ruminococcaceae、Bifidobacterium Bifidobacterium longum和Verrucomicrobia门(以黏液Akkermansia muciniphila为代表)。特别是在人类中，观察到Lachnospiraceae、Enterobacteriaceae、Bacteroides、rectale Eubacterium、Faecalibacterium prausnitzii、Eubacterium cylindroides、Clostridium histolyticum、Clostridium lituseburense和A. muciniphila的存在，而在小鼠中观察到SFB、Lactobacillus spp和A. muciniphila。 但是，在结肠的外层或内层中存在的肠道菌群的组成也存在特定差异。实际上，已经表明结肠外粘液层被降解粘蛋白的细菌例如酸性拟杆菌（Bacteroides acidifaciens）（在小鼠中），脆弱拟杆菌（Bacteroides fragilis），双歧杆菌科和A. muciniphila（在小鼠和人类中）定殖。尽管现有的假设是，在健康的个体中，结肠内黏液层没有细菌，但正如在健康小鼠和人类中观察到的那样，一些细菌能够穿透黏液并与结肠隐窝相联系。研究表明，与结肠隐窝相关的菌群主要以不动杆菌为主，通常富含变形杆菌。此外，最近在小鼠和人类中的研究表明，粪便和内部粘液细菌组成之间存在着巨大差异。与粪便样品相比，内部粘液层的特征在于包含20％–60％变形杆菌的群落，拟杆菌的减少和更高水平的物种（α）-多样性。最后，认为与粘膜相关的细菌促进粘液分泌并最终增加粘液层厚度。 5.2 粘液-肠道菌群相互作用 一些影响黏液层中特定细菌存在的因素取决于后者的化学性质。事实上，已经观察到粘蛋白糖基化谱能够影响黏液相关细菌的组成，选择特定的菌种，而且粘蛋白o -聚糖促进宿主微生物的内稳态。分泌型和跨膜黏蛋白均提供微生物的聚糖结合成分的相互作用和附着位点。微生物的黏液结合能力决定了其在黏液中的定殖能力，因此重要的是增加定殖时间。考虑到每个菌种都有一个核心微生物群，而且不同菌种之间的多糖分布也不相同，这表明只有特定的细菌粘附素才能在特定宿主体内适应。事实上，细菌黏附会影响肠道微生物群的组成，比如在小肠中，幽门螺杆菌和SFB能够附着在上皮表面并定植，附着在宿主聚糖上。细菌可以通过外膜蛋白，凝集素，粘附素，胶囊和附属物（如菌毛，鞭毛和菌毛）相互作用并粘附于粘液和上皮表面聚糖。 除了提供附着位点外，粘蛋白聚糖还可以作为微生物（所谓的“粘液溶解细菌”）的营养物质，有利于它们的复制。细菌能够通过其糖苷酶（也称为聚糖降解酶）消化聚糖，通常是外切糖苷酶类型，每次去除一个糖残基。有研究表明，高达40%的细菌基因组编码这些酶。并非所有细菌都具有去除所有粘蛋白聚糖所需的所有酶，但是只有少数几种可以被认为是粘液溶解专家（例如，A. muciniphila）。此外，考虑到不同宿主的多糖谱不同，提示只有特定的微生物物种具有能够在特定宿主中复制的全部酶，进一步证实宿主对肠道菌群的选择能力。糖降解酶从粘蛋白多糖链的非还原端开始作用，当所有的多糖被移除后，粘蛋白的蛋白核心被降解，整个粘蛋白聚合物网络最终被溶解。该过程有助于MUC2粘蛋白和粘液降解。在粘蛋白降解所需的特定酶中，有糖苷水解酶（例如唾液酸酶，岩藻糖苷酶，外切-β-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶和内切-β-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶，β-半乳糖苷酶，α-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶，α-N-乙酰半乳糖胺酶），硫酸酯酶和蛋白酶，属于碳水化合物活性酶类别。这些酶以聚糖为能源时，会在发酵过程中产生短链脂肪酸（乙酸和丁酸），然后被吸收并由结肠细胞用于回收昂贵的合成和分泌MUC2粘蛋白所花费的部分能量，进一步证实了宿主与肠道菌群之间的相互关系。已经提出，在降解粘蛋白的细菌中，主要有A. muciniphila, Bacteroides thetaiotaomicron,Bifidobacterium bifidum, Bacteroides fragilis, Ruminococcus gnavus andRuminococcus torques。考虑到黏液降解菌是肠道菌群的主要能量来源，认为当膳食中不含纤维多糖时，黏液降解菌的比例会增加。事实上，一些细菌能够根据可利用的营养类型调整它们的营养偏好，从粘蛋白聚糖到膳食碳水化合物。例如，对于人类结肠厌氧菌，其主要能源以可发酵的碳水化合物为代表，包括在饮食微生物可及的碳水化合物（MACs）类别中，这意味着宿主酶未消化但被微生物利用的碳水化合物作为能源。因此，MACs可能来自多种饮食来源，包括不可消化的食用植物成分，也包括食源性微生物，但必须由微生物群代谢。值得注意的是，人类消耗的纤维素不是由肠道微生物代谢的，也不是合格的“MACs”。在食物限制或饮食中缺乏MAC的情况下，这些细菌变得依赖于以粘蛋白聚糖为代表的宿主来源的内源性MAC。B. taiotaomicron就是一个例子，考虑到其根据养分的利用率改变其碳水化合物捕获能力以容纳宿主多糖的能力，然而，这与黏液降解细菌A . muciniphila形成对比，这种细菌在高脂肪饮食和缺乏纤维的饮食中含量较低。此外，考虑到黏液降解是保护屏障维持的一个因素，一些黏液降解细菌在健康受试者中增加，与黏液厚度恢复有关，问题是“为什么有些黏液降解细菌对维持黏液有益，而另一些则是有害的?”很可能还有其他隐藏的机制需要我们去发现。最后，细菌不仅可以利用多糖作为能量来源，还可以形成新的聚合物，用作细胞外胶囊。通过这种方式，一些细菌可以修改它们的胶囊成分，促进逃避到免疫系统。 5.3 黏液层上的共生细菌和致病菌 共生菌和致病菌都能降解和利用粘蛋白多糖作为能量源和附着位点，促进其复制和定植，但致病菌也能引起感染。在正常情况下，有一些机制可以避免病原体的入侵和感染。例如，肠道上皮细胞可以通过与微生物(如模式识别受体)存在的特定分子模式来区分共生菌群和致病性菌群，这些微生物能够激活导致炎症反应的特定途径以应对病原体的入侵。此外，有益细菌可以通过增加黏液的产生和占据黏液上可用的结合位点来阻止病原体的粘附，保护机体免受病原体的入侵。另一种保护机制是黏液的粘性和鞭毛蛋白的免疫原性所导致的限制运动性。然而，在某些情况下，病原菌会降解并穿透保护性粘液层，随后粘附并定居在肠上皮细胞上，从而引起感染。为了定居并感染肠道上皮，致病细菌需要降解粘液层并渗透到其中。这可能是由于黏液降解蛋白酶、趋化性和鞭毛的存在，它们允许细菌在黏液内移动，以对抗通常将它们推向管腔的黏液流，并粘附在黏液多糖上。病原菌还可改变黏液的pH值，影响黏液的粘度。例如，幽门螺杆菌可以提高pH值，降低粘液的粘弹性，增加粘液的活动性。一些病原细菌也能够使用由共生细菌降解粘蛋白而释放的产物，例如游离岩藻糖和唾液酸。最后，通过影响粘蛋白的表达，合成和分泌，改变粘液保护性屏障功能，可以使肠上皮浸润。 6 粘液层如何变化以及后果如何 尽管有基础的、持续的分泌水平，但肠道粘液层并不是静止的。相反，本综述前面讨论的过程数量多得令人难以置信，它们受到许多因素的影响。的确，值得注意的是粘蛋白的合成也在转录和表观遗传水平上受到调控。例如，转录因子能够结合到MUC2启动子上的特定位点。许多信号通路被描述为专门针对MUC2的转录调控。它们可以与特定细菌或微生物产物（例如LPS，鞭毛蛋白，脂蛋白酸（LPA），脂肽）连接，并且主要通过激活核因子（NF）-κB起作用，而核因子（NF）-κB已被证明具有MUC2的启动子结合位点。同样，一些炎性标记（例如肿瘤坏死因子-α，血清淀粉样蛋白A3和白介素（IL））也在激活NF-κB途径并刺激MUC2的转录（图4），而JanusKinase的激活具有抑制作用。其他途径，例如cAMP反应元件结合蛋白和ATF1被丝裂原激活的蛋白激酶和p38激活，并被描述为调节MUC2的表达（图4）。已经显示几种IL，例如IL-1β，IL-4，IL-13和L-22参与杯状细胞分化和粘蛋白表达的调节。类似的但也有其他非常复杂的途径被证明可以被不同的激素、神经递质(如，血管活性肠肽、乙酰胆碱)或脂质(如，胆汁酸、前列腺素、丁酸盐)激活，并最终调节MUC2的表达(图4)。最后，通过研究不同类型的结肠癌，研究表明表观遗传机制，例如MUC2特定区域中CpG岛的甲基化，DNA甲基化或组蛋白修饰，还有微小RNA有助于MUC2表达的复杂调控。因此，考虑到黏液蛋白的表达、合成、分泌、降解、糖基化和结构，以及黏液的组成、粘度、厚度和穿透性都可以随着宿主因素(图4)和外部因素(如病原体、前/益生菌、饮食、食品添加剂或污染物、抗生素)的变化而改变，这意味着对黏液屏障的调控是一个非常复杂的系统，上述因素都可能对黏液层产生正面或负面的影响。显然，了解如何调节黏液层是至关重要的。 图4 调节黏液表达和分泌的主要效应子 主要效应子（即肠道细菌，细胞因子和炎性标志物，激素，神经递质和生物活性脂质），它们作用于特定的外部（细胞外）和内部（细胞内信号转导）信号通路，影响表达（即基因表达和合成）和分泌CREB，cAMP响应元件（CRE）结合蛋白；DCA，脱氧胆酸；EGF，表皮生长因子；FXR，法呢类受体X；IL，白介素；JAK，Janus激酶；蛋白；主要黏蛋白MUC2，及其对宿主的影响。JNK，c-Jun-N-末端激酶；LP，脂肽；LPA，脂蛋白酸；LPS，脂多糖；MAPK，促分裂原活化蛋白激酶；SAA，血清淀粉样蛋白A；STAT，信号转导和转录激活剂；TGF-α；转化生长因子α；TLR，前列腺素E2（PGE2）Toll样受体；TNF，肿瘤坏死因子；VIP，血管活性肠肽。 6.1 粘液层损伤 “粘液层损伤”是指可能发生以下某些变化的情况：粘液合成，分泌，厚度和粘度降低，粘液降解和渗透性增加以及粘蛋白糖基化特性和粘液组成发生变化。因此，如许多疾病中所述，允许共生和致病微生物到达肠道上皮，导致感染和炎症。 粘液保护屏障的改变在IBD的发作中起关键作用，例如克罗恩病（CD）和溃疡性结肠炎（UC）。例如，在缺乏MUC2粘蛋白的小鼠中，结肠被直接接触上皮的细菌侵袭，并向下渗透到隐窝和上皮细胞。这种细菌入侵诱发结肠免疫系统的反应，其特征是炎症、腹泻、直肠和结肠脱垂、直肠出血以及结肠癌发展和自发性结肠炎的风险增加。另一个例子是粘蛋白o -糖基化谱的改变。事实上，黏液蛋白o -糖基化影响着黏液的性质、渗透性以及相关微生物的组成，对肠道黏液的功能至关重要。此外，还观察到粘蛋白o -糖基化在IBD和结直肠癌中发生改变。在这种情况下，我们观察到，在缺乏核心1糖基转移酶的小鼠中，MUC2粘蛋白的o -聚糖更短，降解速度更快，这些小鼠患上严重的结肠炎。另一项研究表明，除结肠发炎外，所有人乙状结肠中的MUC2 o -聚糖含量都是一致的。所有这些研究都证明宿主糖基化变化与多种疾病的关系。 在IBD期间，粘液降解细菌（例如来自Ruminococcus家族的细菌）增加，而在UC期间，由于MUC2的产生和分泌减少，结肠粘液的特征是更薄的一层，以O-改变为特征的粘液组成发生变化与活动性炎症患者的MUC2糖基化相关，并增加对细菌的渗透性。已经观察到患者缓解后，MUC2的糖基化恢复正常。最后，在CD期间，粘液层较厚，表明MUC2表达增加和杯状细胞增生，但由于寡糖链长减少50％，MUC2的结构发生变化，导致粘液粘弹性的丧失因此失去保护功能。在引起粘液层改变的原因中，我们接下来关注病理微生物和与营养有关的一些因素，例如高脂饮食或西式饮食，低纤维饮食和食品添加剂（乳化剂）。 6.2 病态的微生物 致病性微生物可以通过多种途径改变肠道粘液层。其中之一是它们降解粘蛋白的能力，如小肠中的霍乱弧菌和蓝氏贾第鞭毛虫，以及大肠杆菌、组织溶内阿米巴原虫或大肠毛霉菌线虫产生的蛋白酶(图5)。通过粘液降解，粘液的厚度减小，并且其渗透性增加。这也使理论上通常无法裂解粘液的微生物感染。此外，某些物种（例如单核细胞增生性李斯特菌，溶组织性大肠杆菌，巴西尼古拉斯螺旋体和旋毛虫）会抑制粘液产生并直接或间接调节杯状细胞功能和粘蛋白表达（图5）。肠道对感染的第一反应是增加杯状细胞和粘液的合成和分泌，目的是赶走微生物，但在慢性感染过程中，粘液分泌过多导致杯状细胞减少，导致粘液合成和分泌减少，内质网应激降低，最终导致炎症。 图5 特定微生物和微生物代谢产物对粘液的调节作用。 概述不同微生物物种，寄生虫和短链脂肪酸（SCFA）对粘液特性，组成或功能的影响。 6.3 饮食 在与黏液层破坏有关的原因中，饮食成分已显示出重要的作用。例如，在高脂饲料喂养过程中，黏液产生和分泌受损，破坏屏障物种的富集，Ctfr基因在小鼠回肠肠上皮细胞中的表达减少，导致黏液黏度和密度降低，肠道通透性增加。此外，黏液层在代谢紊乱(如肥胖和2型糖尿病)的发展和存在过程中发生改变。同样，西式饮食（WSD）（包含40.5％千卡的脂肪（41％饱和，52％单不饱和），40.5％的碳水化合物（蔗糖18％，玉米淀粉16.0％，麦芽糊精12.0％，纤维素4.0％（w /v））导致肠道菌群组成发生变化，SCFA产生的减少与结肠内黏液层受损有关，包括黏液厚度的减少和黏液渗透性的增加(已经在WSD后3天)。此外，在以西方生活方式为特征的地区，UC发病率增加，进一步提示饮食、粘液屏障功能和IBD的相关性。这些饮食的影响可以用膳食纤维的某种缺乏来解释，考虑到在无膳食纤维的饮食(或称膳食MACs)中也出现了同样的结果，这与结肠炎和病原体感染的发生率增加有关，而定期食用膳食纤维（实验室饮食中含有约15％来自最低程度加工谷物和植物的膳食纤维）具有预防作用，这表明纤维在促进保护性粘液屏障的形成中起着至关重要的作用。 近年来，一些食品添加剂，如乳化剂，在食品中含量极低(约2%)，已被证实会引起肠道微生物群组成的改变，并导致黏液层受损。具体来说，这些改变与黏液层厚度的减少和肠道穿透能力的增加有关，导致保护性黏液屏障的侵蚀和增加细菌对上皮的附着。更重要的是，所有这些影响都与肠道炎症和代谢改变有关。 7 粘液层增强 在有助于预防，改善和维持粘液保护层的治疗方法和因素中，我们将简要介绍以下内容：益生菌，下一代有益细菌以及微生物产品和成分。 7.1 益生菌，下一代有益细菌和微生物产品 益生菌是一种活的有机体，如果用量足够，对宿主的健康有益。可以给宿主带来健康益处，可能会影响粘液屏障，例如有助于增加粘蛋白基因的表达，例如粘附的乳酸杆菌属。能够刺激人小肠上皮细胞中MUC3的表达以及MUC2的产生和分泌。其他的例子包括长双歧杆菌，在喂食小鼠4周后，添加这种细菌可以恢复粘液生长，罗伊氏乳杆菌，表明对小鼠右旋糖酐硫酸钠的保护作用，增加粘液层的厚度（图5）。 最后，另一种改变黏液层的关键细菌是A. muciniphila。在高脂饮食喂养期间，小鼠的内部黏液层比对照组更薄，而在高脂饮食加活的A . muciniphila补充的小鼠中，观察到相反的效果(即，恢复黏液层厚度)(图5)。有趣的是，尽管该细菌被称为黏液降解者，但A . muciniphila的补充增加杯状细胞的数量，并产生抗菌肽，如Reg3g和LyZ1。总之，这些发现表明，A. muciniphila与宿主细胞沟通，并最终刺激粘液的产生(图5)。值得注意的是，这种对杯状细胞数量和增强肠道屏障的重要影响也在被巴氏杀菌杀死时被观察到，但在被高压灭菌时没有观察到。在可能的机制中，A. muciniphila在其外膜上表达特异性蛋白，如Amuc_1100蛋白。这种蛋白质能抵抗加热过程并保持活性构象。有趣的是，只用这种蛋白质而不用细菌处理的小鼠也复制了细菌对杯状细胞数量增加和肠壁屏障增强的作用。值得注意的是，该蛋白结合并激活TLR2，可能解释细菌对免疫调节和增强肠道屏障的作用(图4)。因此，提示不需要观察细菌的生存能力就可以观察到有益的效果。总之，这表明，A. muciniphila对黏液层厚度的调控可能比这种细菌对黏液多糖的“简单”主动降解和利用更复杂，而且还涉及特定的微生物化合物。有趣的是，除了在啮齿动物身上获得的数据外，肥胖和2型糖尿病患者的特征也是A. muciniphila含量较低。在第一次对代谢综合征患者进行人工干预的概念验证中，我们最近证实，A. muciniphila改善新陈代谢(即，改善胰岛素敏感性，降低炎症)，同时降低血浆LPS水平，增强肠道屏障。 总而言之，这个特定的例子是表明肠道菌群，粘液层/肠屏障和疾病相关的其他证据。对于被认为是粘液专家的细菌，A. muciniphila及其成分的例子很明显。然而，其他细菌不仅可以通过自身影响粘液，还可以通过特定的产物和成分，如SCFAs、LPSs、鞭毛蛋白和LPA(图4)。例如，已有研究表明，黏液相关细菌通过释放微生物相关分子模式(MAMPs)和产生SCFAs，促进黏液分泌并增加黏液层厚度。我们还观察到，SCFAs，如乙酸盐和丁酸盐，可以刺激肠上皮细胞中MUC2的表达，增加粘液的产生和分泌(图5)。此外，在细菌成分中，革兰氏阴性菌纯化鞭毛蛋白、革兰氏阳性菌纯化LPA和LPS均能上调粘蛋白表达，后者也能增加杯状细胞分泌粘液(图4)。 8 总结与评论
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