腸道菌群對黏蛋白2的影響及其作用機制

黃則華 曾 悅 黃春蘭

上海交通大學附屬第一人民醫院消化科(201620)

黏蛋白2(mucin 2, MUC2)參與組成的腸黏液屏障，是抵御腸道致病菌和外源性有害物質入侵的第一道天然屏障，MUC2質和量的改變與多種腸道疾病相關。腸道菌群種類繁多、數量龐大，菌群之間相互依存、相互制約，共同形成一個動態平衡的微生態系統，維持腸道的正常生理功能。腸道菌群的改變可通過不同作用機制影響MUC2的質和量，從而導致一系列疾病的發生、發展。本文就腸道菌群對MUC2的影響及其作用機制作一綜述。

一、 MUC2的結構、功能及其與腸道疾病的關系

1. MUC2結構和功能：MUC2是由腸道杯狀細胞分泌的一種高度糖基化的分泌型黏蛋白，其單體是含有N端氧化糖基化域和C端半胱氨酸富含域的同源寡聚體；MUC2單體經二硫鍵(S-S)構成二聚體后儲存于腸道杯狀細胞中；當MUC2二聚體釋放入腸道后，可再通過C端的二聚化或N端的三聚化最終形成聚合物，并參與構成黏液層的骨架[1-2]。MUC2具有高度糖基化的半胱氨酸殘基，可令其親水性提高，起到潤滑腸黏膜的作用，使小腸的移行運動復合波增加，從而有利于將細菌自小腸運輸至結腸，起到維持小腸相對無菌狀態的作用。同時MUC2的此特性亦可使腸道上皮細胞受到的機械應力減少[3]。MUC2糖基化的程度(主要為O-型寡聚糖鏈)決定了其對腸黏膜的保護作用。MUC2的寡聚糖鏈結構可給腸道菌群中的益生菌提供生態位點以黏附結合，協助益生菌在腸道內定植，發揮生物屏障作用。同時該結構亦可為分泌型免疫球蛋白IgA以及抗菌肽等提供結合位點，輔助腸黏膜的免疫屏障發揮作用[4]。

2. MUC2與腸道疾病的關系

①MUC2與腸道感染：研究[5-6]表明，與野生型小鼠相比，敲除MUC2基因的小鼠更易發生由溶組織阿米巴激發的腸道炎癥反應和蠕蟲感染，而在易感蠕蟲的小鼠盲腸黏膜中，則可觀察到MUC2蛋白表達明顯減少。另有研究[7]顯示，MUC2-/-小鼠感染枸櫞酸桿菌后，相較于野生型小鼠，其黏膜層表面和糞便中的枸櫞酸桿菌含量均增加。上述研究證實MUC2與腸道黏膜抵御腸內有害菌和外源性有害物質入侵的能力密切相關。

②MUC2與炎癥性腸病(IBD)：有研究指出，潰瘍性結腸炎(UC)患者腸道中MUC2分泌減少，腸道黏液層變薄且不連續[8]。在杯狀細胞內質網內可發現堆積有部分合成或折疊錯誤的黏蛋白，可引起內質網應激，使成熟黏蛋白分泌減少[9]。同時，在UC患者腸道中還發現黏蛋白結構改變，主要表現為黏蛋白糖基化減少以及寡糖側鏈縮短[10]。而在克羅恩病(CD)患者腸道中則發現MUC2分泌增加，但其寡糖鏈同樣縮短[11]。

③MUC2與結直腸癌：研究[12]表明，敲除MUC2基因的小鼠有自發發展為腸道炎癥、腸道腫瘤的傾向；在結直腸癌患者的腸道組織中，MUC2的表達水平呈明顯下降趨勢，且與腫瘤分化、淋巴結轉移和血管浸潤呈負相關。MUC2表達缺失是結直腸癌不良結局的預測因子之一[13]。

二、腸道菌群對MUC2的影響及其作用機制

腸道菌群數量約10萬億個，是人體細胞總數的10倍[14]；腸道內的優勢菌群與人體呈共生關系，有益于機體，稱為益生菌。腸道常見的益生菌包括乳酸桿菌屬、雙歧桿菌屬、擬桿菌屬等。腸道菌群具有重要的生理調節作用，主要包括生物拮抗、防御感染、參與免疫系統的建立和調節以及代謝和營養等作用[15-16]。

與常規飼養小鼠相比，無菌飼養小鼠腸道杯狀細胞數量減少、形態變小，黏液層變薄且通透性增加；將常規飼養小鼠的腸道菌群定植至無菌小鼠腸道中后，后者腸道可形成與常規飼養小鼠相似的黏液層[17]。Jakobsson等[18]的研究發現，在兩種具備不同腸道菌群的C57BL/6小鼠群體中，雖然結腸黏液厚度相似，但兩組小鼠腸道黏液屏障的通透性卻存在明顯差異；將此兩組小鼠的菌群分別移植至無菌小鼠腸道中后，無菌小鼠的腸道黏液表型分別與其對應的捐獻組相似。因此推測腸道菌群與腸道黏液層的發育密切相關。

1. 腸道菌群對MUC2合成的影響及其作用機制

①腸道菌群調節MUC2基因轉錄：腸道細菌產物如脂多糖(LPS)、鞭毛蛋白以及細菌誘導產生的炎性因子，如腫瘤壞死因子(TNF)-α、白細胞介素(IL)-13等均可調節MUC2基因轉錄。LPS與腸上皮細胞表面的Toll樣受體4(TLR4)結合后，通過髓樣分化因子88 (MyD88)依賴性信號通路活化核因子(NF)-κB，并使其結合至MUC2啟動子的相應位點上(-1441-1452堿基對位置)，從而上調MUC2轉錄[19]；同時LPS亦可通過非MyD88依賴性信號通路，即通過介導干擾素(IFN)以及干擾素調節因子3(IRF3)上調MUC2轉錄。TNF-α同樣可通過NF-κB途徑上調MUC2轉錄，但同時亦能通過c-Jun氨基末端激酶(JNK)途徑抑制MUC2轉錄[20]；JNK抑制途徑仍可導致MUC2表達下降，引起黏液層和上皮層破壞。此兩種調節機制間的相互作用有待進一步深入研究。IL-4和IL-13可通過絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)介導的NF-κB途徑正向調節MUC2轉錄，此外亦可通過激活由MAPK和p38通路介導的環磷腺苷效應元件結合蛋白/轉錄激活因子1(CREB/ATF1)上調MUC2 轉錄[21]。

腸道益生菌群可通過提供MUC2合成所需相關營養物質(如維生素B、K、D以及氨基酸)以及通過短鏈脂肪酸(尤其是丁酸鹽、乙酸鹽)等上調MUC2轉錄[22]。研究發現，丁酸可通過促進激活蛋白-1(AP-1)轉錄因子與MUC2啟動子中相應位點結合，以及通過組蛋白乙酰化修飾(如H3、H4乙酰化等)上調MUC2 mRNA表達[23]。此外，丁酸還可通過使MUC2基因去甲基化上調MUC2轉錄。

②腸道菌群調節MUC2蛋白翻譯后修飾：MUC2翻譯成蛋白后需經過一系列的修飾如二硫鍵的形成、糖基化等才能成為成熟具有功能的黏蛋白。MUC2糖基化包括O型、N型糖鏈的合成，此過程是在多種糖基轉移酶催化下完成的；MUC2蛋白相對分子質量的80%由O-型糖鏈組成，MUC2的功能與糖基化密切相關。Bry等[24]的研究通過對常規和無菌飼養小鼠的比較發現，無菌小鼠體內缺乏糖基化巖藻糖和α-1，2巖藻糖基轉移酶mRNA，當其經過腸道菌群定植飼養后，體內巖藻糖基化程序恢復。Wrzosek等[25]的研究發現，多形擬桿菌、普拉梭菌可增加糖基轉移酶的合成并促進MUC2糖基化，且此可能依賴于腸道細菌產生的短鏈脂肪酸的調節。近年一項研究[26]發現，活潑瘤胃球菌E1能通過分泌一種增加MUC2糖基化轉移酶基因表達的肽樣因子調節MUC2糖基化，此種因子因其肽樣性質不同于短鏈脂肪酸，被認為是一種未曾報道過的因子。

MUC2硫酸化可增強腸道抗炎能力，與MUC2硫酸化相關的磺基轉移酶包括GAL3ST2、CHST5等[27]。細菌產物及其引起的炎性因子分泌可大量誘導磺基轉移酶形成，其中TNF-α、IL-13可增加CHST5表達，TNF-α、IL-13、鞭毛蛋白可增加GAL3ST2表達，使MUC2硫酸化，通過增加黏液黏度和減少細菌黏附提高腸道抗炎能力[28]。然而，近期有研究[29]顯示，MUC2硫酸化一方面是機體對細菌感染產生的應答，另一方面則是由于部分細菌“主動為之”，如福氏志賀菌可通過三型分泌系統(TTSS)途徑誘導MUC2硫酸化，其基因組序列中至少存在3個編碼硫酸酯酶的基因(yejM、yidJ、ORF1680)，MUC2硫酸化有利于表達硫酸酯酶的細菌建立其生態位點而不利于不具備此類降解酶的細菌定植。故MUC2硫酸化有其兩面性，一方面可增加黏液黏度、減少大部分細菌黏附，另一方面反而為少數具備硫酸酯酶的致病菌提供了黏附位點。

2. 腸道菌群對MUC2分泌的影響及其作用機制：MUC2的分泌分為兩種途徑，一種是基礎分泌途徑，通過細胞骨架運動小劑量持續性分泌MUC2，更新腸道黏液層并維持其完整性；另一種則是調節分泌途徑，在各種病理生理刺激下，杯狀細胞可通過胞吐作用釋放大量 MUC2[30]。兩種途徑分泌MUC2所需的杯狀細胞可能不同，腸上皮表面的杯狀細胞通過基礎分泌以維持腸道黏液層，而腸隱窩內的杯狀細胞則在受刺激時通過調節途徑分泌大量MUC2[31]。

Birchenoug等[32]的研究發現，結腸隱窩入口處的杯狀細胞起著哨兵作用。當各種生物活性物質如LPS、TNF-α、次級膽汁酸鹽等刺激哨兵杯狀細胞時，會發生非特異性內吞并通過TLR和MyD88依賴性Nox/Duox活性氧(ROS)合成途徑，激活該途徑下游的NLRP6(Nod-like receptor pyrin domain-containing protein 6)炎性小體。NLRP6炎性小體高度表達于腸上皮且特異性定位于成熟杯狀細胞頂端區域，被認為與MUC2的調節、分泌密切相關；NLRP6被激活后與含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶(caspase)-1以及含半胱天冬酶補充結構域(CARD) 的凋亡相關顆粒樣蛋白(ASC)通過N端的熱蛋白結構域(PYD)蛋白-蛋白連接作用組成NLRP6炎癥復合體，從而觸發哨兵杯狀細胞發生鈣離子依賴性MUC2胞外分泌，并產生一種胞內間隙連接信號，誘導結腸隱窩鄰近杯狀細胞繼續分泌MUC2，以達到大量分泌MUC2的目的[33]。

MUC2的調節分泌途徑是機體對腸道細菌感染的應答，通過大量釋放MUC2入腸腔，沖刷腸腔內細菌，保護腸上皮抵御細菌入侵。然而當長期存在細菌及其產物等的刺激時，MUC2持續大量分泌，會造成杯狀細胞耗竭，使MUC2合成、分泌減少，腸黏膜抗感染能力下降。此外，有研究[34]發現沙門菌可通過激活IFN-γ受體影響杯狀細胞內填充黏液的囊泡產生，從而減少黏液分泌。

3. 腸道菌群對MUC2降解的影響及其作用機制：腸道菌群對MUC2降解的影響主要包括以嗜黏蛋白艾克曼菌為代表的益生菌群的緩慢降解作用，其目的在于維持黏液層的動態平衡；以及以致病性大腸埃希菌為代表的致病菌的快速降解作用，其目的是破壞黏液層的完整性。

嗜黏蛋白艾克曼菌利用腸道黏蛋白作為惟一的碳源和氮源，其能產生61種與黏蛋白降解相關的酶(如硫酸酯酶、糖苷酶等)，在這些降解酶中發現了BACON結構域，此結構域可能參與黏蛋白酶與黏蛋白的結合過程[35]。嗜黏蛋白艾克曼菌降解黏蛋白的這一特性使得其在腸道中定植于稀疏的黏液外層，與其他定植在腸腔中的微生物相比，其代謝產物如短鏈脂肪酸等存在于靠近腸上皮細胞的黏液層中，為腸上皮細胞提供能量。此外，丙酸可通過G蛋白偶聯受體43(Gpr43)，其他短鏈脂肪酸可通過Gpr41引起一系列信號通路變化，上調杯狀細胞合成MUC2并促進其分泌；此過程使嗜黏蛋白艾克曼菌可降解黏液層，但不導致黏液層厚度變薄[36]。嗜黏蛋白艾克曼菌與內源性蛋白酶共同參與維持黏液層的動態平衡，維持黏液層正常生理厚度。

致病性大腸埃希菌可通過多種方式降解MUC2，YghJ是其分泌的一種高度保守的金屬蛋白酶，能以劑量依賴性的方式降解MUC2，從而破壞腸黏液屏障[37]。致病性大腸埃希菌亦可合成絲氨酸蛋白酶自動轉運家族(SPATE)蛋白，并通過自動轉運分泌至菌體外；SPATE蛋白由N端的可剪切信號肽序列、C端的轉運單位以及中部的載乘結構域組成。中部的載乘結構域內包含絲氨酸蛋白酶的催化結構域GDSGS，賦予了SPATE蛋白降解MUC2的能力[38]。

三、結語

MUC2是組成腸黏液屏障的主要成分，在防御致病微生物入侵以及協助腸道益生菌定植等方面均具有重要作用。腸道菌群參與調控人體的諸多生理功能，可通過不同機制調控MUC2的合成、分泌以及降解，從而影響MUC2的質和量。然而，腸道菌群對MUC2的作用并不像“單一菌群提供所有益處”或“單一菌群均有害”那樣簡單。目前，對MUC2與腸道菌群間的關系雖有一定了解，但其間許多錯綜復雜的聯系仍未明確。后續有望通過深入研究獲得更多關于MUC2與腸道菌群相互作用的新發現。