宿主腸道防御有害微生物侵襲的前線：粘液素、抗菌肽和微生物區(qū)系
作者：Vanessa Lievin-Le Moal和Alain L. Servin 翻譯：楊江濤
清遠容大生物工程有限公司市場技術部
1、前言
腸道黏膜表面是身體接觸外部環(huán)境最大的表面（200-300m2），這是一個綜合了胃腸上皮細胞、免疫細胞和寄生微生物區(qū)系的復雜生態(tài)系統(tǒng)，腸道粘膜受到各種病原微生物的危脅，這些潛在的有害腸道微生物可以搶奪宿主的細胞分子和信號傳導途徑導致發(fā)病。感染過程中的第一步，一些腸道細菌病原粘附在腸道細胞的刷狀緣，它們能夠利用細胞的信號途徑，此外，一些腸道病原微生物能夠發(fā)展出專門的系統(tǒng)，在粘附完成以后，這些系統(tǒng)產生毒力因子。在正常的宿主細胞功能被擾亂以后，這些系統(tǒng)能使病原通過上皮屏障。在細胞被滲透過程中，宿主細胞骨架通常是被腸道病原微生物攻擊的靶點，這樣作的目點包括獲得進入細胞的入口、移動到細胞中和細胞之間、為了創(chuàng)造一個專門的可以提高病原生存機會、形成和改造空泡。
腸道上皮細胞形成物理的和化學的屏障，保護宿主不受來自潛在的腸道有害微生物的攻擊（見圖1）。腸道表面是由一種簡單的柱狀上皮細胞排列形成，柱狀上皮細胞折疊形成大量的深入到連接組織中的內陷或隱窩。腸細胞組織的上皮提一個保護宿主對抗微生物侵擾的物理屏障。腸上皮是一類可以更新的組織，因為腸細胞可以不斷地由腸隱窩中的一種多功能干細胞分化產生，而且這些細胞提供一種高轉化率的新前體細胞。在腸絨毛中，形成上皮的分化的上皮細胞分成兩類不同組成部分。上皮屏障包括 4種上皮細胞系：腸上皮細胞、內分泌細胞、杯狀細胞和潘氏細胞，這 4 種細胞在腸絨毛中存在。此外，Ｍ細胞存在于濾泡相關上皮中。上皮細胞層的完整是由緊密連接（TJs） 、粘合連接（AJs）和細胞橋粒組成的細胞間的連接體來維持的，然而在縫隙連接允許細胞間信號傳遞。緊密連接（TJs）位于連接復合體的最頂端，形成細胞單體之間一個半透性擴散屏障，這個屏障可以被調控和作為滲透性屏障。TJs中含有 40 種不同的蛋白，例如膜相關鳥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 和幾種未確認的磷蛋白。有趣的是，TJs的生源學研究顯示，TJs部分上可能被幾種經典的信號傳導途經調控，例如異三聚體G蛋白、G2+蛋白激酶C和作為信號分子中轉平臺的船樣膜微區(qū)。TJs的下部是粘合連接（AJs），包括一種鈣粘蛋白/連接素復合體及其相關蛋白、膜和PDZ蛋白。在TJs和AJs中，上皮細胞連接復合休形成過程中，他們中的特異性成分可以在動力調控作用下產生交互作用。重要的是，TJs和AJs在維持細胞分化中起到關鍵作用。甚至，最近的證據顯示無論TJs是否存在，細胞分化運動能形成針對擴散的膜內屏障，限制細胞膜頂部和底部成分的混合。令人感興趣的是，許多致病性腸細菌以TJ區(qū)域作為靶位和攻擊對象從而改變腸道滲透性，造成發(fā)病?，F在經確認，一些腸道病原體使用覆蓋組織粘膜相關淋巴系統(tǒng)的M細胞作為感染途徑，它們通過這些細胞以后，細菌面臨噬菌細胞、位于濾泡頂部的特異性巨噬細胞。
圖 1：腸道中腸上皮細胞排列結構
（A）隱窩絨毛細胞組織。細胞更新是從多功能腸干細胞中獲得，小腸中是從隱窩基部的上端，結腸是在隱窩基部。上皮遷移到隱窩上端，這里他們呈顯出差異，獲得吸收和分泌的特異性功能。當他們遷移時， 三種類型的區(qū)別表現出來：主要的腸上皮細胞、分泌粘液杯狀細胞和分泌肽激素的內分泌細胞。相對的，潘氏細胞遷移到隱窩基部。
（B）分化的上皮細胞匯集一起，形成一個在內部與外部之間具有滲透性的上皮。
該屏障的功能由連接區(qū)域決定的，包括界面清楚的縫隙連接、細胞橋粒、粘合連接和緊密連接。腸上皮出現 4 種分化的上皮細胞系：腸上皮細胞表達在頂端，排列密集，刷狀緣界面整齊，包括導向性蛋白的支持特別功能的膜上的組織分明微絨毛；粘液分泌杯狀細胞（有黃色大顆粒的細胞）產生結合細胞膜的粘液素和包含成熟的貯存顆粒，貯存顆粒中包裹著分泌的粘液素；內分泌細胞（有黑色小顆粒的細胞）包含形狀小、導向性分泌顆粒，盡管 1 個小顆粒可以貯存多種肽激素，在顆粒中貯存不同的肽激素；潘氏細胞（有紅色小顆粒的細胞）包含在頂端的導向性顆粒，在這些顆粒中包裹著作為前體或成熟形態(tài)的抗菌肽（AMPs）
和抗菌蛋白。腸道病原（帶鞭毛的紅色細菌）與腸上皮細胞的相互作用，進入細胞，影響細胞結構或組織，擾亂細胞功能。共生細菌（藍色和綠色細菌）主要生長在腸道內腔中粘液層外側。分泌的粘液素（黃色覆蓋在上皮表面）結合細胞膜，作為一個物理屏障保護上皮細胞表面不受到有害病原的攻擊。
隨意高度變化的指令系統(tǒng)，先天性免疫系統(tǒng)使用非無性繁殖方式識別分子。腸道上皮作為宿主感應微生物環(huán)境的一種表面，可以在需要時激活通過釋放細胞因子和趨化因子等信號分子的強大的防御反應，依次激活細胞的補充和發(fā)動系統(tǒng)免疫細胞的攻擊。然而，不象肺部，腸道上皮容忍細菌駐留成為微生物區(qū)系的成員。盡管持續(xù)暴露給共生的細菌，正常的粘膜顯示出允許最小濃度的微生物，以回應由駐留的革蘭氏陽性菌和革蘭氏陰性菌引發(fā)的正常區(qū)系的大量產物，產物包括革蘭氏陰性菌產生的脂多糖（LPS）和革蘭氏陽性菌產生的脂蛋白和肽聚糖。宿主腸道如何識別共生微生物區(qū)系和不受歡迎的腸致病性微生物的研究顯示，宿主擁有探測抗原的高度發(fā)達的系統(tǒng)。所有細菌內源性種類分享“自我”識別分子，稱為微生物相關分子模式。與之相比，感染以后，作為特異性識別結果，宿主先天性粘膜免疫反應主要被在大量病原體種類上發(fā)現到的保守的“非自我”分子結構的分子識別受體啟動，稱為病原相關分子模式。例如，上皮細胞感應腸內的環(huán)境是通過他們的模式識別受體，包括TOLL樣受體 (TLRs)和核苷酸結合寡聚化結構域(NOD)蛋白，TLR是進化的保守蛋白，特點是有一個細胞外亮氨酸富集重度區(qū)域用于配體識別和細胞內TOLL/白介素 1（IL-1）受體樣區(qū)域用于信號傳導。此外，在炎癥反應中，兩種哺乳動物的核苷酸結合亮氨酸富集重復蛋白（NOD1 和 NOD2）用作細菌產物的細胞內感應器。更特別的是，NOD2 識別一個稱為胞壁酰二肽因子的肽聚糖片段，這種片段G- 和G+ 菌的細胞壁中都存在。
腸道上皮不僅僅是防止有害菌進入基本組織的物理屏障，它的表面還覆蓋專門細胞產生的粘液、抗菌肽（AMPs）和抗菌分子，諸如溶解酵素，這些物質與駐留的微生物區(qū)系共同組成抵抗致病性微生物的前線。本文的目的是分析我們知道的防御第一線。我們的分析集中在上皮中的兩種細胞系：杯狀細胞和潘氏細胞，二者在腸道防御前線起到關鍵作用。我們還討論最近認識到的腸道微生物區(qū)系作為腸道病原屏障的機制。
2、粘液：
腸道粘膜表面覆蓋由特異性杯狀細胞分泌的粘液，這種杯狀細胞被稱為粘液素分泌細 胞。
2.1、粘液素分泌細胞
粘液素分泌細胞，有一個分化的顯性特征，細胞膜頂部和底外側區(qū)域被與相鄰細胞聯系有關的 TJs 分隔開（見圖 1）。在頂部區(qū)域，粘液分泌細胞有一個刷狀邊緣，一個包括有組織微絨毛的規(guī)則結構。在腸上皮細胞，刷狀緣的微絨毛被細胞骨架組織起來的，細胞骨架包括一束肌動蛋白細絲及與其結合的蛋白，有長茸毛（Villin）和絲束蛋白。腸上皮細胞和粘液素分泌細胞的刷狀緣細胞骨架，在組織形態(tài)和維持特異性腸內功能上起到關鍵的作用。細胞內的微管肌動蛋白同樣特異性組織推動位于頂端區(qū)域邊緣空間與高爾基體之間的小泡運
輸，這是頂端排架信號控制。在細胞核上方和刷狀緣下方，粘液素分泌細胞包含大量高電子
密度、含有被包裹著的粘液素分泌顆粒。
粘液素分泌細胞成熟從隱窩底部的增殖區(qū)開始，他們都來源于隱窩底部的干細胞，沿著隱窩-絨毛軸遷移。粘液素分泌細胞作為分化的一個結果，與腸上皮細胞和內分泌細胞一樣，上升到絨毛頂部、分化，接著脫落到內腔，大約 5-7 天的短期生存時間。絨毛上的干細胞增殖和分化調控研究顯示，它們受到幾個系統(tǒng)的控制，包括Wnt和Hedgehog信號途徑、骨成形蛋白和腸轉錄因子CDX1、CDX2、HNF1。例如，標準的Wnt信號級聯包括 20 種不同的Frizzled受體交互作用。Wnt信號是通過β-catenin/TCF4 轉換，已知控制脊椎動物多種生物現象，包括細胞生命期和維持特定部位干細胞、祖先細胞的預先確定的生命時間。Wnt信號在腸道上皮操縱干細胞/祖先基因程序中起到關鍵作用，祖先基因程序在腸隱窩底部附近維持未化的祖先細胞中是至關重要的。此外，最近極道，Notch信號在腸道發(fā)育中起到重要作用，因為頂部分泌杯狀細胞在雙基因改造Rosa-Notch/cre+ 小鼠中激烈地衰竭。成熟的腸細胞從絨毛頂部脫落是源于被稱為“Anoikis”的一個詳細的細胞死亡程序，這個程序受到病灶粘接素激素或β1-整合素相關元件的正向和反向控制，蛋白激素信號途徑包括磷脂酰肌醇 3 激酯/Akt、有絲分裂原活化蛋白激酶(MAPK)、應激活化蛋白激酶(SAPK)/Jun氨基末端激酶和某些Bcl-z 與Bcl-z相關蛋白。
一系列管腔損傷被發(fā)現會改變杯狀細胞功能和腸粘液化學成分，管腔損傷包括正常微生物區(qū)系變化和有害腸道病原的侵擾，但相關機制尚不清楚。研究顯示，無菌小鼠對腸致病的微生物或宿主內源炎癥介質，粘液素基因表達、粘液成分和粘液分泌發(fā)生變化。例如，當無菌小鼠有規(guī)律地口服從同一類小鼠糞便中提取的微生物，細菌定植會導致在直腸的杯狀細胞和粘液素成分的數量上出現時間依賴性變化。
2.2、粘液素
請點擊鏈接下載繼續(xù)瀏覽：
