宿主肠道防御有害微生物侵袭的前线：粘液素、抗菌肽和微生物区系
作者：Vanessa Lievin-Le Moal和Alain L. Servin 翻译：杨江涛
清远容大生物工程有限公司市场技术部
1、前言
肠道黏膜表面是身体接触外部环境最大的表面（200-300m2），这是一个综合了胃肠上皮细胞、免疫细胞和寄生微生物区系的复杂生态系统，肠道粘膜受到各种病原微生物的危胁，这些潜在的有害肠道微生物可以抢夺宿主的细胞分子和信号传导途径导致发病。感染过程中的第一步，一些肠道细菌病原粘附在肠道细胞的刷状缘，它们能够利用细胞的信号途径，此外，一些肠道病原微生物能够发展出专门的系统，在粘附完成以后，这些系统产生毒力因子。在正常的宿主细胞功能被扰乱以后，这些系统能使病原通过上皮屏障。在细胞被渗透过程中，宿主细胞骨架通常是被肠道病原微生物攻击的靶点，这样作的目点包括获得进入细胞的入口、移动到细胞中和细胞之间、为了创造一个专门的可以提高病原生存机会、形成和改造空泡。
肠道上皮细胞形成物理的和化学的屏障，保护宿主不受来自潜在的肠道有害微生物的攻击（见图1）。肠道表面是由一种简单的柱状上皮细胞排列形成，柱状上皮细胞折叠形成大量的深入到连接组织中的内陷或隐窝。肠细胞组织的上皮提一个保护宿主对抗微生物侵扰的物理屏障。肠上皮是一类可以更新的组织，因为肠细胞可以不断地由肠隐窝中的一种多功能干细胞分化产生，而且这些细胞提供一种高转化率的新前体细胞。在肠绒毛中，形成上皮的分化的上皮细胞分成两类不同组成部分。上皮屏障包括 4种上皮细胞系：肠上皮细胞、内分泌细胞、杯状细胞和潘氏细胞，这 4 种细胞在肠绒毛中存在。此外，Ｍ细胞存在于滤泡相关上皮中。上皮细胞层的完整是由紧密连接（TJs） 、粘合连接（AJs）和细胞桥粒组成的细胞间的连接体来维持的，然而在缝隙连接允许细胞间信号传递。紧密连接（TJs）位于连接复合体的最顶端，形成细胞单体之间一个半透性扩散屏障，这个屏障可以被调控和作为渗透性屏障。TJs中含有 40 种不同的蛋白，例如膜相关鸟苷酸激酶蛋白家族中的ZO-1、ZO-2 和ZO-3蛋白、Occludin蛋白、Claulin蛋白、7H6 和几种未确认的磷蛋白。有趣的是，TJs的生源学研究显示，TJs部分上可能被几种经典的信号传导途经调控，例如异三聚体G蛋白、G2+蛋白激酶C和作为信号分子中转平台的船样膜微区。TJs的下部是粘合连接（AJs），包括一种钙粘蛋白/连接素复合体及其相关蛋白、膜和PDZ蛋白。在TJs和AJs中，上皮细胞连接复合休形成过程中，他们中的特异性成分可以在动力调控作用下产生交互作用。重要的是，TJs和AJs在维持细胞分化中起到关键作用。甚至，最近的证据显示无论TJs是否存在，细胞分化运动能形成针对扩散的膜内屏障，限制细胞膜顶部和底部成分的混合。令人感兴趣的是，许多致病性肠细菌以TJ区域作为靶位和攻击对象从而改变肠道渗透性，造成发病。现在经确认，一些肠道病原体使用覆盖组织粘膜相关淋巴系统的M细胞作为感染途径，它们通过这些细胞以后，细菌面临噬菌细胞、位于滤泡顶部的特异性巨噬细胞。
图 1：肠道中肠上皮细胞排列结构
（A）隐窝绒毛细胞组织。细胞更新是从多功能肠干细胞中获得，小肠中是从隐窝基部的上端，结肠是在隐窝基部。上皮迁移到隐窝上端，这里他们呈显出差异，获得吸收和分泌的特异性功能。当他们迁移时， 三种类型的区别表现出来：主要的肠上皮细胞、分泌粘液杯状细胞和分泌肽激素的内分泌细胞。相对的，潘氏细胞迁移到隐窝基部。
（B）分化的上皮细胞汇集一起，形成一个在内部与外部之间具有渗透性的上皮。
该屏障的功能由连接区域决定的，包括界面清楚的缝隙连接、细胞桥粒、粘合连接和紧密连接。肠上皮出现 4 种分化的上皮细胞系：肠上皮细胞表达在顶端，排列密集，刷状缘界面整齐，包括导向性蛋白的支持特别功能的膜上的组织分明微绒毛；粘液分泌杯状细胞（有黄色大颗粒的细胞）产生结合细胞膜的粘液素和包含成熟的贮存颗粒，贮存颗粒中包裹着分泌的粘液素；内分泌细胞（有黑色小颗粒的细胞）包含形状小、导向性分泌颗粒，尽管 1 个小颗粒可以贮存多种肽激素，在颗粒中贮存不同的肽激素；潘氏细胞（有红色小颗粒的细胞）包含在顶端的导向性颗粒，在这些颗粒中包裹着作为前体或成熟形态的抗菌肽（AMPs）
和抗菌蛋白。肠道病原（带鞭毛的红色细菌）与肠上皮细胞的相互作用，进入细胞，影响细胞结构或组织，扰乱细胞功能。共生细菌（蓝色和绿色细菌）主要生长在肠道内腔中粘液层外侧。分泌的粘液素（黄色覆盖在上皮表面）结合细胞膜，作为一个物理屏障保护上皮细胞表面不受到有害病原的攻击。
随意高度变化的指令系统，先天性免疫系统使用非无性繁殖方式识别分子。肠道上皮作为宿主感应微生物环境的一种表面，可以在需要时激活通过释放细胞因子和趋化因子等信号分子的强大的防御反应，依次激活细胞的补充和发动系统免疫细胞的攻击。然而，不象肺部，肠道上皮容忍细菌驻留成为微生物区系的成员。尽管持续暴露给共生的细菌，正常的粘膜显示出允许最小浓度的微生物，以回应由驻留的革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌引发的正常区系的大量产物，产物包括革兰氏阴性菌产生的脂多糖（LPS）和革兰氏阳性菌产生的脂蛋白和肽聚糖。宿主肠道如何识别共生微生物区系和不受欢迎的肠致病性微生物的研究显示，宿主拥有探测抗原的高度发达的系统。所有细菌内源性种类分享“自我”识别分子，称为微生物相关分子模式。与之相比，感染以后，作为特异性识别结果，宿主先天性粘膜免疫反应主要被在大量病原体种类上发现到的保守的“非自我”分子结构的分子识别受体启动，称为病原相关分子模式。例如，上皮细胞感应肠内的环境是通过他们的模式识别受体，包括TOLL样受体 (TLRs)和核苷酸结合寡聚化结构域(NOD)蛋白，TLR是进化的保守蛋白，特点是有一个细胞外亮氨酸富集重度区域用于配体识别和细胞内TOLL/白介素 1（IL-1）受体样区域用于信号传导。此外，在炎症反应中，两种哺乳动物的核苷酸结合亮氨酸富集重复蛋白（NOD1 和 NOD2）用作细菌产物的细胞内感应器。更特别的是，NOD2 识别一个称为胞壁酰二肽因子的肽聚糖片段，这种片段G- 和G+ 菌的细胞壁中都存在。
肠道上皮不仅仅是防止有害菌进入基本组织的物理屏障，它的表面还覆盖专门细胞产生的粘液、抗菌肽（AMPs）和抗菌分子，诸如溶解酵素，这些物质与驻留的微生物区系共同组成抵抗致病性微生物的前线。本文的目的是分析我们知道的防御第一线。我们的分析集中在上皮中的两种细胞系：杯状细胞和潘氏细胞，二者在肠道防御前线起到关键作用。我们还讨论最近认识到的肠道微生物区系作为肠道病原屏障的机制。
2、粘液：
肠道粘膜表面覆盖由特异性杯状细胞分泌的粘液，这种杯状细胞被称为粘液素分泌细 胞。
2.1、粘液素分泌细胞
粘液素分泌细胞，有一个分化的显性特征，细胞膜顶部和底外侧区域被与相邻细胞联系有关的 TJs 分隔开（见图 1）。在顶部区域，粘液分泌细胞有一个刷状边缘，一个包括有组织微绒毛的规则结构。在肠上皮细胞，刷状缘的微绒毛被细胞骨架组织起来的，细胞骨架包括一束肌动蛋白细丝及与其结合的蛋白，有长茸毛（Villin）和丝束蛋白。肠上皮细胞和粘液素分泌细胞的刷状缘细胞骨架，在组织形态和维持特异性肠内功能上起到关键的作用。细胞内的微管肌动蛋白同样特异性组织推动位于顶端区域边缘空间与高尔基体之间的小泡运
输，这是顶端排架信号控制。在细胞核上方和刷状缘下方，粘液素分泌细胞包含大量高电子
密度、含有被包裹着的粘液素分泌颗粒。
粘液素分泌细胞成熟从隐窝底部的增殖区开始，他们都来源于隐窝底部的干细胞，沿着隐窝-绒毛轴迁移。粘液素分泌细胞作为分化的一个结果，与肠上皮细胞和内分泌细胞一样，上升到绒毛顶部、分化，接着脱落到内腔，大约 5-7 天的短期生存时间。绒毛上的干细胞增殖和分化调控研究显示，它们受到几个系统的控制，包括Wnt和Hedgehog信号途径、骨成形蛋白和肠转录因子CDX1、CDX2、HNF1。例如，标准的Wnt信号级联包括 20 种不同的Frizzled受体交互作用。Wnt信号是通过β-catenin/TCF4 转换，已知控制脊椎动物多种生物现象，包括细胞生命期和维持特定部位干细胞、祖先细胞的预先确定的生命时间。Wnt信号在肠道上皮操纵干细胞/祖先基因程序中起到关键作用，祖先基因程序在肠隐窝底部附近维持未化的祖先细胞中是至关重要的。此外，最近极道，Notch信号在肠道发育中起到重要作用，因为顶部分泌杯状细胞在双基因改造Rosa-Notch/cre+ 小鼠中激烈地衰竭。成熟的肠细胞从绒毛顶部脱落是源于被称为“Anoikis”的一个详细的细胞死亡程序，这个程序受到病灶粘接素激素或β1-整合素相关元件的正向和反向控制，蛋白激素信号途径包括磷脂酰肌醇 3 激酯/Akt、有丝分裂原活化蛋白激酶(MAPK)、应激活化蛋白激酶(SAPK)/Jun氨基末端激酶和某些Bcl-z 与Bcl-z相关蛋白。
一系列管腔损伤被发现会改变杯状细胞功能和肠粘液化学成分，管腔损伤包括正常微生物区系变化和有害肠道病原的侵扰，但相关机制尚不清楚。研究显示，无菌小鼠对肠致病的微生物或宿主内源炎症介质，粘液素基因表达、粘液成分和粘液分泌发生变化。例如，当无菌小鼠有规律地口服从同一类小鼠粪便中提取的微生物，细菌定植会导致在直肠的杯状细胞和粘液素成分的数量上出现时间依赖性变化。
2.2、粘液素
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