【專家論壇】腸道糖基化在維護腸道微生物穩態中的作用

人類腸道中含有極其豐富的微生物，其所含基因總數是人類基因組的150餘倍。這些微生物通過相互競爭、互補和協同，構成了微生物-微生物和微生物-宿主關係的複雜網路。在此基礎上，腸道微生物各組分間相對平衡，保持穩態，從而實現其與宿主互利共生。對於宿主，其腸道記憶體在多種屏障以維持腸內微生物的穩態。其中包括：胃腸道表面由緊密連接而連接起來的腸細胞和杯狀細胞等分泌的黏液層組成的機械屏障，上皮細胞產生抗微生物肽等物質組成的化學屏障，腸道內定植益生和共生細菌組成的生物屏障，機體先天性免疫系統和獲得性免疫系統構成的免疫屏障。以上多種腸道屏障是一個有機協同的整體，由此建立起宿主與非致病微生物的良性共生，奠定了正常腸道功能的重要基礎。

腸道中宿主-微生物相互調控下的共生關係對腸道微生物穩態和正常功能的維持十分重要，因此有可能是腸道穩態失調和相關疾病治療的一個切入點。近期研究發現，腸上皮聚糖在宿主-微生物相互作用中起著關鍵的作用，腸道的糖基化在調控微生物的同時也受微生物刺激和腸道免疫系統調節。在此著重回顧腸道糖基化，特別是α1，2-岩藻糖糖基化作為宿主-微生物交叉調控的生理和免疫學機制，尋找新發現的與臨床腸道疾病的可能關係，並為腸道動力相關疾病的診治拓寬思路。

腸道糖基化與宿主-腸道菌群調控

在活細胞中，細胞表面蛋白質和脂質在特定酶催化下被多糖修飾，形成相應糖基，從而表現出多樣的生物化學功能。腸上皮細胞表面表達和分泌的糖基具有獨特的功能特徵。一方面，腸道腔面的糖蛋白和糖脂可作為宿主和管腔微生物之間通訊的重要媒介。例如副溶血性弧菌通過硫酸化和岩藻糖化聚糖靶定相應的上皮細胞上相關生物轉化分子，從而感染宿主細胞。另一方面，微生物產物也可由上皮的糖基介導產生作用，如霍亂毒素與腸道上皮表面的GM1神經節苷脂間的相互作用。在眾多腸道糖基化類型中，岩藻糖基化的功能最受關注，相關研究最深入。岩藻糖基化反應由岩藻糖基轉移酶(fucosyl transferase，FUT)介導。在人和小鼠腸道，FUT2作為主要的岩藻糖基轉移酶，特異性表達和調節腸上皮細胞和杯狀細胞上的α1，2-岩藻糖基化。由FUT2介導合成的糖基化抗原常被分泌至口腔和腸腔內，因而FUT2也被稱為分泌型基因(secretor gene)。α1，2-岩藻糖在腸道上皮表面表達和以分泌型糖基在腸腔內表達極大地增加了其與腸道微生物接觸的機會，也形成了其介導宿主-微生物相互調控的基礎。

腸道糖基化對腸道菌群的影響與機制

腸道中的多類共生菌可利用腸道上皮表達的糖基，如脆弱擬桿菌(Bacteroides fragilis)就可產生岩藻糖苷酶以從上皮細胞上切割α1，2-岩藻糖並加以攝入。攝入的L-岩藻糖可被分解代謝作為碳源和供能，或用於調控岩藻糖操縱子基因，或被再循環作為岩藻糖化的莢膜多糖的原料。研究表明，上皮α1，2-岩藻糖合成缺陷的脆弱擬桿菌較野生型存在明顯的競爭劣勢，而FUT2缺陷小鼠往往具有腸道微生物紊亂，可加劇檸檬酸桿菌誘導的腸道炎症和功能障礙。可見α1，2-岩藻糖在腸道內有助於維持宿主-微生物共生和腸道微環境的穩定。此外，也有研究表明，腸腔遊離的L-岩藻糖可通過激活岩藻糖感受器FusKR43抑製腸出血性大腸埃希菌毒力基因的表達，這提示上皮α1，2-岩藻糖基化可下調腸道致病微生物的毒力並對機體起到保護作用。

腸道菌群對腸道糖基化的誘導與機制

現有研究表明，葡聚糖硫酸鈉等引起上皮屏障的功能障礙化學物質可誘導上皮細胞表面的FUT2和α1，2-岩藻糖的表達，這提示腸道屏障破壞可誘發上皮α1，2-岩藻糖基化。進一步研究發現，無菌小鼠在腸道上皮α1，2-岩藻糖表達受損，並可通過共生微生物定植而恢復，這進一步提示腸道微生物對宿主腸道的定植可誘導上皮α1，2-岩藻糖基化過程。實際上，現有研究已證明脆弱類桿菌和分段絲狀細菌有此誘導能力。現有研究已對細菌誘導腸上皮糖基化機制做出諸多探索。首先，TLR激動劑可誘導上皮α1，2-岩藻糖基化，提示TLR途徑參與微生物對α1，2-岩藻糖的誘導；其次，現在尚未發現不能附著於腸道上皮的微生物可誘導鹽藻糖基化，提示誘導過程可能需要宿主與細菌配體信號直接結合；而與岩藻糖代謝途徑有關的基因缺陷的擬桿菌突變體不能誘導上皮FUT2表達，提示細菌自身代謝參與上皮α1，2-岩藻糖基化的誘導。

除微生物直接作用外，免疫細胞也參與了腸道菌群對上皮α1，2-岩藻糖基化的誘導過程。研究表明，先天型黏膜免疫細胞是誘導上皮α1，2-岩藻糖基化所必需的。基於現有研究，來自3型天然淋巴細胞(group 3 innate lymphoid cells, ILC3)產生的IL-22信號可由腸上皮細胞特異性表達IL-22受體接受，並通過上皮細胞的IL-22受體信號轉導及轉錄激活蛋白(signal transducer and activator of transcription)途徑最終激活FUT2和其他防禦基因的表達。同時，獲得性免疫細胞也在腸道上皮糖基化過程中起作用。根據現有研究，獲得性免疫細胞與先天性免疫細胞的作用相反，可負向調節上皮FUT2表達和α1，2-岩藻糖基化。表達IL-10調節性T細胞可能是獲得性免疫細胞抑製上皮α1，2-岩藻糖基化作用中的關鍵。而在獲得性免疫缺陷小鼠中觀察到ILC3增加和IL-22的表達增加，進一步提示其機制涉及T淋巴細胞負調節ILC3數量和相應IL-22信號的產生。最終從腸道穩態的整體上考慮，在獲得性免疫缺陷的情況下，上皮α1，2-岩藻糖基化的增強可進一步說明腸道上皮糖基化可能作為一種防禦手段，在腸道功能缺陷時起到維護腸道微生物穩態的作用。

腸內多糖在腸道動力障礙

臨床應用的前景

腸道動力相關疾病的病因複雜多樣，腸道微生態紊亂是諸多病因中無法忽視的組成部分，如小腸細菌過度生長與腹痛、腹脹、腹瀉等腸道動力障礙表現密切相關。現有研究提示，其機制與腸道菌群紊亂所導致的腸道輕度炎症和內臟敏感性增高相關。腸道多糖可能通過對致病性和機會性微生物的抑製調節，發揮相應的防治效果。在腸道菌群紊亂時，腸上皮糖基化對各種病原體具有相對特異的抑製功能。如相對於野生型，鼠傷寒沙門菌等致病菌可更有效地感染FUT2缺陷小鼠。其可能機制為，共生菌通過定植競爭抑製致病菌增殖，從而維持腸道環境的穩態；上皮α1，2-岩藻糖可以直接抑製致病菌感染並下調其毒力；上皮的糖基直接干擾某些致病菌與腸上皮的結合定植。同時，實驗證明服用含有α1，2-岩藻糖的牛奶可有效地保護宿主免受空腸彎曲桿菌感染，這進一步印證了腸內多糖對宿主的保護作用。

已有多項研究對通過調節腸內多糖水準改善腸道動力障礙做出探索。在一項研究中，菊粉型果聚糖顯示出對實驗對象腸道的免疫調節效應，同時增加了腸血液流量、攝氧量並改善腸上皮完整性，提示多糖對於腸道疾病治療的價值。在IBS患者中進行的一項臨床研究顯示，與對照組相比，攝入半乳糖基轉移低聚糖(一類多糖)的患者在治療4周後其糞便稠度、胃腸脹氣、腹脹、複合癥狀評分和主觀整體評估方面均獲得了顯著改善。另一項研究顯示，與安慰劑組相比，IBS患者攝入低聚果糖6周可降低消化道癥狀的發生頻率和強度，改善腸道不適和生命品質。儘管前途光明，但路途難免坎坷。腸道糖基化水準受腸道微生物和宿主自身的雙重調控，同時腸道糖基化水準在部位時間上的差異性，均提示腸道多糖的保護作用可能隨著宿主和微生物的改變而產生巨大變化。實際上，以口服多糖治療IBS的相關臨床研究為例，其治療結果因研究對象、攝入糖的組成和劑量不同而有很大差異。儘管如此，現有腸道糖基化研究已為包括腸道動力障礙在內的腸道疾病的診治提供了新的前進方向，而未來對其機制的加深理解將為相關疾病的防治提供更加精準、有效的手段。