分子营养学综述

分子营养学综述 编号 分子营养学(综述) 题目:肠道黏液合成与分泌及其影响因素研究 食品 学院 营养与食品卫生学 专业 班 级 食硕1005 学 号 S100109026 学生姓名 丁寅翼 二〇一二年一月 肠道黏液合成与分泌及其影响因素研究 食硕1005班 丁寅翼 学号:S100109026 摘要:肠道黏液层作为肠道上 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 皮细胞和肠腔内环境之间的第一道屏障，起着至关重要的保护作用。黏液主要由杯状细胞分泌，杯状细胞的发育、黏液的合成与分泌，以及相关基因的表达受到多重因素的影响。代谢综合征患者与健康者肠道内菌群结构不同，对于黏液层的作用也不同。本文重点分析肠道黏液的分泌及其影响因素，并借此通过菌群结构的变化，将一些代谢综合征与肠道黏液联系起来。 关键词:肠道黏液;杯状细胞;肠道菌群;代谢综合征 从出生开始，人体肠道菌群就开始定植，且菌群结构复杂多变，其结构的变 [1,2]化受到许多因素的影响，包括饮食、生活习惯等。不同人群的菌群结构是不 [4-6]一样的，且在人体内的不同器官的菌群结构也有差异。能否更好的摸清影响肠道微生物结构的因素对于治疗一些复杂的慢性疾病有很大的帮助。越来越多的研究高度关注到一些微生物对于宿主健康的影响。菌群失调和许多慢性疾病有 [6,7][8,9][10][11]关，包括肥胖，肠道炎症(IBD)，糖尿病。研究显示，IBD患者、2型糖尿病患者体内菌群结构均和健康人不同(图1)。目前的研究同样关注到了 [12]肠道菌群对于宿主的直接影响。例如菌群可以保护机体免受1型糖尿病。 另有研究发现，代谢综合征均伴随着低度的局部炎症反应，这种炎症反应是 [13-15]导致胰岛素抵抗发生的主要机制。在肥胖、高血压等疾病均来源于一些致炎性的细胞因子，包括肿瘤坏死因子α(TNFα)，白细胞介素-6(IL-6)，以及单核 [16](MCP-1)。这些细胞因子主要由巨噬细胞分泌。然而有关诱细胞趋势蛋白-1 导巨噬细胞分泌细胞因子的因素研究较少。但是可以肯定的是，肠道微生物是其中一种主要的诱导物质。 肠道微生物对于肠道先天及后天免疫系统来说是一种主要的刺激物。肠道微生物要作用于肠道上表皮细胞，首先要通过黏液层。在肠道内部有一层黏液层，构成了肠道上表皮细胞和肠腔内环境的一道屏障。 这层黏液是由产道杯状细胞分泌的胶体物质，主要是糖基化蛋白。这层黏液层主要起到了保护、润滑的作用，且是肠道上表皮细胞和肠腔内环境物质交换的 [17]媒介。如果黏液层被破坏，则会出现细菌移位，内毒素血症等病征，影响机体健康。黏液层的粘弹性、聚合物特性主要是由于胶体组成物质糖蛋白——黏液素的存在。黏液素由肽骨架组成，包括了糖基化和非糖基化的部分，其中氧连糖基化聚合物的占70—80%。其中N-乙酰氨基葡萄糖、N-乙酰半乳糖胺、海藻糖、半乳糖是组成黏液素的四种主要的低聚糖。黏液素低聚糖链末端通常是唾液酸或 [18]硫酸盐，这也解释了黏液素在中性pH下表现的阴离子性质。 1.肠道黏液的保护作用及分泌过程 1.1 肠道黏液的物理化学结构 肠道黏液的保护作用主要取决于其理化性质。肠道黏液根据物理结构可分为致密内层和疏松外层(图2)。致密内层结构紧密，能够有效防止肠腔内细菌在肠道上表皮细胞上直接定植。根据化学组成，可将黏液分为中性黏液和酸性黏液， [18]其中后者又可分为高度硫酸化的硫粘蛋白和非硫酸化的唾液酸粘蛋白。两种黏液素中，酸性黏液的保护作用更为重要，酸性黏液能够避免细菌以为，其中也 [19,20]别是硫酸化黏液很难被细菌糖苷酶或者宿主的蛋白酶水解。 在硫酸化黏液形成过程中，低聚糖链从高尔基体内的单糖供体，通过糖基转移酶连接到黏液素上，而硫酸盐是通过高尔基磺基转移酶从3’-磷酸腺苷-5’磷酸 [21]盐转移至外围或骨架低聚糖链上。 图1 一些代谢综合征患者与健康者体内菌群结构 图2 黏液层的致密内层与疏松外层 1.2 肠道黏液的分泌 有关研究表明，杯状细胞从发生到死亡只有一个分泌周期。杯状细胞的分泌 周期一个大致可分为三个阶段，首先，是在肠腺内起始阶段或合成阶段，此时黏液合成速度超过聚集和释放速度;其次是中间阶段，细胞位于隐窝上部及绒毛下半段，合成与释放几乎平衡，细胞内充满酶原颗粒;最后阶段，杯状细胞达绒毛顶部或上部，黏液释放速度超过合成速度，细胞出现排空现象。在分泌周期过程中，杯状细胞的结构因分泌期不同而变化，其表达结构也不相同，静止期细胞表面有较多微绒毛，分泌期的表面则呈现凹凸不平的大皱褶，周边仍可见较长的微 [22]绒毛，但分布不规整而且比较疏松。 杯状细胞分泌黏液分为两个单独的过程:简单胞外分泌(或基础分泌)和复合胞外分泌。简单胞外分泌需要新鲜的黏液素颗粒的持续合成，黏液素颗粒沿着顶端颗粒群移动。杯状细胞暴露于促黏液素分泌素下，开始进行复合胞外分泌， [18]该过程是分泌的加速过程，导致中心储存黏液素颗粒急速释放。 2. 影响黏液素分泌的因素 研究发现有许多生物活性因子能影响黏液素的合成与分泌，其中包括微生 [23]物、激素、神经肽、免疫因子(细胞因子和脂类)。此外，黏液素基因(MUC基因)同样能影响黏液素的多样性，以及黏液层的流动特性。目前，主要的研究重点在于微生物对于黏液合成、分泌和成分的影响，以及微生物对于MUC基因表达的调节作用。 [24,25]正常的肠道微生物具有改善肠道屏障功能，抑制有害菌生长的作用，肠道细菌有黏附于肠黏膜表面的黏液层的趋势，因此正常肠道菌群能够定植在肠粘膜上皮表面而不破坏黏膜上皮细胞，从而形成了机体的一道重要的生物屏障，它和粘膜机械屏障、肠道化学屏障和免疫屏障共同构成人体肠道屏障。通过竞争性黏附，增加定植抗性，正常菌群能阻止外籍菌及潜在致病性的需氧菌在粘膜上 [25]定植形成感染。 无菌动物的肠黏膜变薄，绒毛变细，黏膜隐窝变浅产生速度降低，上皮细 [26,27]胞有丝分裂减少，黏膜再生作用减弱。如果重新定植肠道菌群则粘膜萎缩状 [27]况就能得到恢复。 2.1 肠道微生物影响黏液与杯状细胞 通过组织化学研究中，将无菌动物和常规条件饲养的动物进行比较发现，无 [28]菌动物的杯状细胞小于且少于常规条件下饲养的动物。这导致常规条件动物的黏液层厚度约为无菌动物的两倍。这种形态学上的变化主要是由于没有肠道菌的存在而引起的，如果对无菌动物植入共生肠道菌，黏液立刻得到调节，且黏液 [29]形态正常化。 [17]无菌动物和常规饲养的动物的黏液组成也截然不同(表1)。无菌条件下，结肠的中性黏液和酸性黏液的比值较高，且硫酸化黏液含量较高。Sharma和 [30]Schumacher的研究中，“人类微生物大鼠”(无菌大鼠植入从人类粪便获得的微生物)的含唾液酸黏液杯状细胞的数量大于无菌大鼠，这和小鼠结肠黏液模型获得的结果类似(表1)。此外。研究显示，饮食因素可能会影响杯状细胞数量 [31,32][33]和黏液素多样性，并且能够调节杯状细胞的分泌能力。 表1 几种哺乳动物肠道黏液结构 2.2 影响黏液素合成与分泌的微生物因素 黏液素为肠道微生物提供了多种生态学利益。黏液素低聚糖是直接的碳源和肽源，以及外源营养素，包括维生素和矿物质，这些在黏液基质处浓度较高。定植在黏液上的微生物可以避免被黏液的流动性迅速排出。因此，黏液定植微生物能够获得很好的生长条件。不论是共生菌还是致病菌都能从杯状细胞合成并分泌的黏液中获得特定的利益。 Vibrio cholerae的霍乱毒素是一种很有效的黏液促分泌素，能够通过cAMP [34]依靠机制来诱发黏液素的大量分泌。霍乱毒素的调节作用主要是通过一种间 [33]接机制，可能是作用于黏液神经或其他细胞，但是有研究显示霍乱毒素可能 [35]会直接提高黏液素的分泌。 Listeria monocytogenes的李斯特毒素O能结合到绒毛细胞受体上，从而提高HT29-MTX细胞的黏液素胞外分泌。此外，另外一种直接影响黏液分泌的微生物是肠道原生动物Entamoeba histolytica。E. [36]histolytica能够通过依赖于蛋白酶C的通道直接诱发LS174T细胞释放黏液素。 多种革兰氏阳性菌(Staphylococcus aureus，Staphylococcus epidermis，Streptococcus pyogenes)和革兰氏阴性菌(Pseudomonas aeruginosa，Escherichia coli)都能够上调NCIH292上表皮细胞MUC2和MUC5A基因的表达。此外，H. pylori也能调节人体肠道细胞MUC1和MUC5AC基因的表达。这也证明了微 [38]生物能够直接改变黏液素基因(MUC基因)的表达。 将HT29细胞暴露于E.coli菌株时，并没有改变MUC基因的表达。另一方面，Lactobacillus plantarum 299v 和Lactobacillus rhamnosus GG都提高了MUC2和MUC3基因的表达。Lactobacillus菌株能够防止E.coli结合到HT29细胞，这 [39]可能与Lactobacillus能够提高黏液素分泌有关。 用E.coli脂多糖作用于无菌大鼠，结肠黏液素分泌增加的同时，中性黏液素的分泌也出现上升。这可能是由于E.coli是出于自身利益的出发点来改变黏液素 [40]化学成分的。 将Clostridium difficile毒素A作用于HT29Cl.16E细胞，发现其能够快速抑 [37]制黏液素化合物的胞外释放，且无需通过调节基础黏液素的分泌。Slomiany等人研究了Helicobacter pylori脂多糖对于黏液合成与分泌的影响。结果发现H. [38]pylori能够抑制HT29Cl.16E细胞基础黏液素的分泌。 2.3 黏液素溶解 [41]致病菌和共生菌对黏液有酶解的能力。黏液素酶解后为微生物提供了很好的碳源，且有助于微生物到达上皮细胞表面。黏液素酶解的步骤较为复杂，从非糖基化的“裸露”部分开始，宿主和微生物的蛋白酶将糖蛋白水解。该过程产生大量的高度糖基化的凝胶状黏性物质(>500kDa)的堆积，这种堆积作用能够防止进一步的蛋白水解攻击。此后，微生物酶与低聚糖链作用，水解黏液糖基肽，最后出现唾液酸和硫酸盐残留物。唾液酸和硫酸盐残基此后被唾液酸酶和糖基硫酸盐酶水解，而低聚糖被糖苷酶水解。 3. 影响杯状细胞分泌黏液素的其他因素 3.1 饮食因素的影响作用 许多研究显示了饮食因素对于杯状细胞数量，以及黏液素多样性的影响，以及对于调节杯状细胞分泌活性的影响。Sharma等人分别向大鼠饲喂了粗粮和精粮两种饲料，发现相比粗粮组，精粮喂养组的大鼠，包含酸性和硫酸化黏液素的 [42]杯状细胞数量减少。 但是饮食因素到底是如何影响杯状细胞的形态及生物活性，以及这种影响的程度，以及有关深层机理尚不清楚。 3.2 性激素的影响作用 [43] 研究报道，在不同性别和生理条件下，兔结膜杯状细胞的形态、大小以及超微结构有所不同。雄兔及动情期雌兔杯状细胞的胞浆内分泌颗粒中充满颗粒物质，而妊娠期和间情期雌兔杯状细胞分泌颗粒中是稠密均质的分泌物。而且，妊娠期雌兔的杯状细胞直径最大。这说明，性激素水平可以影响杯状细胞的形态及功能，其它胃肠道激素水平的变化对于杯状细胞的分泌作用有不同程度的影响。 3.3 某些内源性和外源性物质的影响作用 研究表明，有一系列内源性物质和外源性物质对于杯状细胞的分泌活动有调 [44]节作用。缓激肽是一种生物体内的炎症介质，Stanley等人用免疫荧光显微镜观察人的一种结肠腺癌细胞系HT2918N2，经过缓激肽处理后，发现杯状细胞分泌的粘蛋白量增加，而细胞内贮存的粘蛋白并未增加。这表明，缓激肽调节杯状细胞糖蛋白的分泌，而不能调节合成与贮存。 [45]组织胺同样可以引起炎症反应。Tamaoki等人研究发现，组织胺通过作用于杯状细胞膜上的组织胺?型受体可刺激杯状细胞引起分泌活动。 此外，脂多糖作为一种内源性毒素，可以刺激气管黏膜杯状细胞的增生及分泌。 [46]根据Zoukhri等的研究，大鼠结膜杯状细胞膜上有血管活性肠肤(VIP)的?型受体以及胆碱的M-?型受体和M-?型受体。因此，氨甲酰胆碱和VIP可以 [47]导致时间和浓度依赖性的杯状细胞的分泌活动。Wilkins等报道，钙离子载体A23187、毛喉素(一种AMP酶抑制剂)以及VIP等可刺激主胰管杯状细胞脱颗粒。 此外，食物成分、微生物和寄生虫感染等均可以影响杯状细胞的分泌功能及分泌 [22]物的成分。 3.3 氧化应激以及疾病对于肠道黏液的影响 肠黏膜缺血及再灌注损伤:肠黏膜缺血引起上皮细胞坏死，是人所共知的事实，然而，对于缺血后再灌注损伤的了解却比较少。实验证明， 再灌注时， 组 [48]织可产生大量自由基，后者可引起肠黏膜通透性损伤。 肠黏膜的应激性损伤:严重的创伤、重症全身性疾病、重症各脏器疾病可引起肠黏膜缺血和过氧化损伤，继而出现黏膜细胞损害、糜烂和出血。此外， 肠道革兰阴性杆菌的异常繁殖产生大量细菌毒素，跨过黏膜屏障的毒素进入肝脏，当进入肝脏的毒素不能被肝脏清除时，毒素便可进入循环，形成内毒素血症， 而内毒素又可引起肠黏膜血管扩张、水肿和出血，内毒素还可刺激单核巨噬系统产生过多的细胞因子(TNF，ILs等)，进而激活血管内皮细胞，引起自由基释放， [22]继而出现血管通透性增加和黏膜上皮细胞坏死。 蛋白质缺乏:黏膜蛋白质缺乏可引起黏膜萎缩，增加肠黏膜通透性，促进大分子毒性物质进入循环。此外，蛋白质缺乏还可引起B淋巴细胞减少，IgA分泌 [22]减少，引起杯状细胞减少，黏液分泌减少，间接引起屏障功能降低。 4. 代谢综合征下胃肠道菌群结构的变化 代谢综合征患者肠道菌群结构较健康者不同。因此肠道菌群的失衡可以作为代谢综合征影响肠道黏液的途径。而有关代谢综合征与肠道黏液的关系还需要更进一步的研究。 4.1 健康人群肠道内的菌群结构 人体体内各组织在健康状态下的菌群结构是固定的，在健康人群的肠道内，优势菌是拟杆菌(Bacteroidetes)，占有比例约为65%，其次为硬壁菌(Firmicutes)，占有比例约为35%(其中95%为梭菌属)，另外还有少量的变形菌(Proteobacteria) [49]和放线菌(Actinomycete)。 [50]Simpson 研究发现，除盲肠外，每一段胃肠道中的内容物菌群结构与该段的粘膜粘附菌的菌群结构基本一致，相比之下，消化道不同区段如胃、小肠近端、小肠远端、盲肠、结肠近端、结肠远端以及直肠的细菌组成明显不同，其中 [50]大肠是肠道微生物定植最密集的部位。 (1)小肠:小肠上端虽然 pH 稍偏碱性，但由于分泌有胆汁、胰液等消化液且肠道内含有各种消化酶，加之小肠上段的蠕动剧烈，肠液流量大，而由于黏液层的存在，导致微生物在此处无法稳定定植，所以小肠上段菌群的数量同样很低，主要是一些链球菌和乳酸杆菌;但是小肠下段含有大量的微生物菌群。 (2)空肠:空肠一般只有少量细菌，正常人空腹时空肠中的细菌类群以少量革兰氏阴性好氧菌为主，如链球菌、葡萄球菌(Staphyococcus)等，还包括一些兼性厌氧菌如乳杆菌和肠球菌(Enterococcus)以及少量酵母和作为过路菌的大肠杆菌(Escherichia coli)等，而厌氧类杆菌则较少。 (3)回肠:回肠中细菌数量有所增加，上段回肠与空肠相似，下端回肠平均细菌数量增多，微生物区系与结肠类似，以厌氧菌为主，含有大量拟杆菌(Bacteroides)、大肠杆菌和双歧杆菌(Bifidobacterium)等，这些细菌或由结肠从盲瓣反流而来，在回盲瓣以前以革兰氏阳性菌占优，之后以革兰氏阴性菌占优。 (4)盲肠和结肠:结肠是大肠中(盲肠、结肠和直肠)最长的一段，被分为右结肠(结肠近端)、横向结肠和左结肠(结肠远端)，相比小肠而言它的运动力低下，从而有利于微生物的繁殖，是肠道中细菌数量最多的区域。在盲肠和右结肠，多糖发酵过程很剧烈，产生很多的短链脂肪酸(丙酸、丁酸等)，pH介于 5-6 之间，细菌的生长也相当迅速;而在左结肠和结肠末端，发酵所需多糖底物已被大量消耗，pH 环境接近中性，细菌生长速度减慢，形成了一个动态、复杂、含菌 [51]量非常高的微生物体系。其中厌氧菌占绝对优势(98%) ，主要真细菌类群包括革兰氏阴性厌氧杆菌、梭杆菌(Fusobacterium)乳杆菌、革兰氏阳性厌氧芽孢杆菌以及多种厌氧肠球菌。兼性厌氧菌如大肠杆菌、变形杆菌(Proteus) 克雷伯氏菌(Klebsiella)等只占很小的比例。 4.2 肥胖及糖尿病患者肠道内微生物结构 高脂饮食对肠道黏液的影响可能是通过肠道微生物菌群结构的变化达到的。为了证明这个假说，需要弄清高脂饮食下肠道菌群结构的变化，并通过菌群对于肠道黏液的影响来证实。研究发现，长期高脂膳食，引起肥胖，引起营养性氧化 [52,53]应激。 在氧化应激的状态下，氧自由基可直接造成脂质过氧化损害，使蛋白质变性， 酶失活，会导致黏膜损伤，肠黏膜损伤致使大量吸收细胞受到破坏，严重影响小 [54]肠功能。此外，在氧化应激状态下，肠道菌群结构会发生变化。 长期高脂饮食会影响肠道微生物结构，肥胖小鼠肠道中拟杆菌门细菌比例比 [55]正常小鼠要低50%，而硬壁菌门细菌则较多。肠道硬壁菌门细菌中，95%为梭 [37]菌属，Clostridium difficile毒素A作用于HT29Cl.16E细胞，抑制黏液素的释放。此外，高脂饮食会导致肠道革兰氏阴性菌丰度上升，革兰氏阴性菌分泌的LPS同样会抑制肠道黏膜的分泌。有关高脂饮食对于肠道黏液的影响机理还需进一步研究。 与肥胖患者不同，在糖尿病患者肠道内拟杆菌门细菌丰度较健康者高，而硬 [11]壁菌门细菌丰度较低。梭菌毒素会抑制黏液素的分泌。而有关糖尿病对于肠道黏液的影响仍需进一步的研究。 5. 小结与展望 胰岛素抵抗是代谢综合征的一个关键抑制因素，与高脂饮食有很大的联系，会很大程度上影响机体健康，包括葡萄糖耐量，血脂障碍，并且会使得机体患非酒精脂肪肝(NAFLD)、2型糖尿病、动脉粥样硬化、高血压、缺血性心脏疾病 [56-59]的风险上升。 众多证据证明，高脂膳食以及饮食诱导肥胖会导致肠道的低度炎症反应[60-62]。研究证实了饮食和肠道微生物的共同作用会产生早期的炎症反应，尤其是在小肠内发生。其机理可能包括改变肠道通透性，细菌的移位，致炎细胞因子的 [63]上调，肠道内分泌细胞分泌激素，以及肠道和大脑之间的神经调控。 以上研究均支持了微生物能影响肠道黏液物理化学结构的假说。这些研究证明肠道微生物或免疫细胞可能会产生生物活性因子，影响杯状细胞以及黏液层。肥胖患者肠道内硬壁菌门细菌丰度大于健康患者，而人体内硬壁菌门细菌主要是梭状菌，梭状菌毒素会抑制肠道黏液的分泌。糖尿病患者体内硬壁菌门丰度低于健康者。这些事实说明，代谢综合征患者肠道菌群结构与健康者不同，对于肠道黏液的合成与分泌，以及相关基因的表达的影响也不同。可以因此提出假说，代谢综合征是通过肠道微生物菌群结构的变化来影响肠道黏液层的。 研究肠道微生物对于肠道黏液物理化学性质的影响的目的在于，通过肠道微 生物的作用，将代谢综合征与肠道黏膜免疫系统联系起来。但是目前有关该方面 的研究不足，且不深入。弄清代谢综合征下肠道黏液的变化，有利于为治疗代谢 综合征提供新的思路。进一步的研究将关注于肠道微生物失衡对于肠道黏液层影 响的深层机理。 参考文献 1. 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