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摘要
胃肠道通常被认为是参与食物消化和向身体提供营养以进行适当维护的关键器官。然而，这个系统是由极其复杂的器官组成的。在不同的部分中，肠道被视为与环境接触的一个不可思议的表面，并被数以万亿计的肠道微生物所殖民。肠道屏障的作用已经研究了几十年，但涉及保护肠道屏障的确切机制是各种各样的，并且是互补的。其中，黏液屏障的完整性是胃肠道保护的第一道防线之一。在过去，这种“黏糊糊的”伴侣大多被认为是一种简单的润滑剂，用于促进食物丸和肠道内粪便的进展。从那时起，不同的研究人员取得了重要的进展，目前，这种粘液屏障的调节正受到科学界越来越多的关注。在影响粘液屏障的因素中，微生物组在推动粘液变化中起着主要作用。此外，我们的饮食习惯(即高脂肪饮食、低纤维/高纤维饮食、食品添加剂、预益生菌)在不同程度上影响粘液。鉴于黏液层与疾病的出现有关，正确的知识是高度必要的。 Here, we debate different aspects of the mucus layer by focusing on its chemical composition, regulation of synthesis and degradation by the microbiota as well as some characteristics of the mucus layer in both physiological and pathological situations.
- 黏蛋白
- 粘液
- 肠道微生物
- 肠道通透性
- 糖生物学
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关键信息
肠道黏液层对维持肠道健康至关重要。
肠道粘液屏障和糖生物学的调节是非常复杂的动态系统，仍然知之甚少。
宿主聚糖和肠道微生物之间存在复杂的双向相互作用。
肠道菌群组成是调节肠道粘液屏障功能的重要因素。
特定的营养物质或潜在的下一代有益细菌可以用来预防、改善或维持保护性黏液层。
介绍
整个胃肠道(GI)的粘膜完整性对维持健康至关重要。这篇综述旨在讨论肠道屏障完整性的关键组成部分之一，即粘液，它覆盖在肠上皮表面。粘液由许多成分组成:水(90%-95%)，1 2电解质、脂类(1%-2%)、蛋白质等。3.这种粘液是一种稀的、含水的和粘弹性的分泌物，这要归功于特定的粘液蛋白质，称为粘蛋白，是黏液中主要的结构和功能成分，浓度为1%-5%。3.
在这篇综述中，我们将特别关注以下几个问题:黏蛋白的主要作用是什么?它们的成分是什么?它们是如何产生和分泌的?肠道微生物是如何促进这种调节的呢?影响其生产和组成的因素是什么?
因此，本综述分为不同的子部分，从黏液的结构和组织开始，然后讨论跨膜黏液蛋白和成胶黏液蛋白的区别，以及小肠和大肠黏液成分的差异。在此之后，我们将重点关注粘液的作用，它与肠道微生物群的双向相互作用，外部因素如饮食、特定益生菌或炎症性肠病(IBDs)如何影响这种对话或受这些因素的影响，最终具体影响健康。因此，在这篇综述中，我们不仅将详细介绍黏液层生理学的不同机制和关键分子元素，而且还将详细介绍特定修饰的影响。
粘液的结构和组织
粘蛋白是一个大的，复杂的，糖基化的蛋白质家族，其特征是一个重要的元素，“粘蛋白结构域”。2 4它是由含有氨基酸残基脯氨酸(Pro)、苏氨酸(Thr)和丝氨酸(Ser)的序列组成的蛋白质核心组成，称为富ps序列，通常串联重复，其中丝氨酸和苏氨酸广泛地o -糖基化，并形成'瓶刷'样构象(图1)．相反，氨基酸Pro确保黏蛋白的结构在高尔基体中保持展开，允许o -糖基化过程(所有化学步骤在图1和图2)．1 - 5超过80%的粘蛋白是由o -聚糖组成的，o -糖基化是影响粘蛋白的主要修饰和糖基化类型。1 6 7o -糖基化是一个重要的过程，允许创建聚糖涂层，隐藏粘蛋白的蛋白质核心并保护其不受内源性蛋白酶降解，此外还赋予结合和溶于水并形成凝胶的能力。1 7 8糖基化在消化道的不同区域和个体之间有所不同，这取决于糖基转移酶的表达、健康或疾病状态以及微生物定植。1 6 7然而，已经表明，在人类大肠的远端，聚糖在个体之间是一致的。1此外，在健康个体中，观察到MUC2 o -糖基化谱在定性和定量上也是一致的。8
MUC2的化学结构和肠内粘液的合成。MUC2的特定结构，包括由肽基-GalNAc转移酶进行的第一糖基化的不同步骤，将第一糖，n -乙酰半乳糖胺(GalNAc)残基添加到PTS序列的Ser和Thr中。o -糖链的后续延伸和分支，例如GalNAc，半乳糖，n -乙酰葡萄糖胺(GlcNAc)， n -乙酰神经氨酸(NeuAc)和硫酸盐基团。肠细胞表面的跨膜粘蛋白示意图。亲,脯氨酸;Ser、丝氨酸;用力推,苏氨酸。
粘液在小肠和大肠中的产生和分布小肠和大肠中黏液层类型的表示(内层和外层黏液层)。鉴定杯状细胞粘液生成及其在腔内分泌和扩张的步骤(从1到7)。首先，MUC2单体在内质网(ER)中形成二聚体，然后在高尔基体中o -糖基化，在反式高尔基网络(TGN)中，MUC2粘蛋白二聚体形成三聚体，填充在分泌囊泡内。粘液分泌是一个复杂的过程;杯状细胞在从隐窝底部迁移时用Muc2填充其分泌囊泡，并含有其他成分，如igg结合蛋白Fc片段(FCGBP)、氯通道附件1 (CLCA1)、酶原颗粒蛋白16 (ZG16)和前梯度同源物2 (AGR2)。分泌囊泡在与杯状细胞的顶端膜融合后，通过胞吐将其内容物挤出，允许粘液分泌。最后，填充的粘蛋白必须暴露在多种因素下才能膨胀，如pH值、钙含量的变化+ 2浓度和碳酸氢盐离子(HCO3.-这要归功于囊性纤维化跨膜电导调节(CFTR)通道，该通道将允许黏蛋白通过体积扩大100-1000倍并结合水来形成网状结构。
最后，黏蛋白可分为两种不同类型:跨膜黏蛋白和成胶黏蛋白。2
跨膜黏蛋白
跨膜粘蛋白被合成并附着在肠细胞的细胞膜上，覆盖其顶端表面(图1和图2)．4它们的特征是一个n端胞外结构域，一个或多个粘蛋白结构域，一个跨膜结构域和一个c端细胞质尾巴，磷酸化位点参与细胞内信号转导(图1)．2 4 6在不同的粘蛋白中，MUC1/3/4/12/13/15/17/20和21在肠道的不同位置被发现(图3)．1 4 9MUC3/12/17的n端细胞外粘蛋白结构域从肠细胞微绒毛尖端进入肠腔约1µm，表明它们参与了肠细胞密集糖基化糖萼的形成。MUC3/4/12/13和17始终表达，而MUC1和MUC16黏蛋白仅在癌症和感染时表达上调。2这些黏蛋白不有助于粘液凝胶的形成，它们的功能主要是保护细胞。它们可能是腔内环境的传感器，并参与宿主-微生物相互作用。6 8需要进一步了解它们的具体功能和肠道中其他可能类型的存在。
小鼠和人类肠道内黏液的厚度和黏液蛋白类型。描述黏蛋白的类型和黏液厚度在胃肠道的不同部分在小鼠和人类，以及他们的具体作用。
Gel-forming黏蛋白
形成胶状黏蛋白(具有胶状性质)由杯状细胞分泌和合成(图2)在隐窝中比在小肠的绒毛和结肠的上隐窝中数量更多(图2及3)．2 10在凝胶形成的粘蛋白中，MUC6在十二指肠Brunner腺体中表达，9MUC5B在结肠中弱表达，黏蛋白2 (MUC2/ MUC2)是胃肠道中最具特征的分泌黏蛋白。2 9值得注意的是，在下面的文本中，粘蛋白在提到人类时是大写的(即MUC2)，而对于动物，只有第一个字母是大写的(即MUC2)。MUC2是肠道黏液的主要成分，存在于小肠和大肠中，形成黏液骨架(图1)，但如图3，也有特定的黏蛋白只在胃肠道的特定位置表达。2 10值得注意的是，肠道黏液的主要成分MUC2粘蛋白的生物合成是非常复杂的，包括在图1而且图2．1 2 5 8
杯状细胞在从隐窝底部迁移时，用Muc2填充它们的分泌囊泡5并含有其他黏液成分，如igg结合蛋白Fc片段、氯通道附件1、酶原颗粒蛋白16和前梯度同源物2。10分泌囊泡与根尖膜融合后，通过胞吐作用将内含物挤出。11分泌后，为了使填充的粘蛋白适当膨胀，有必要将粘蛋白暴露在pH值增加和钙浓度降低的环境中。2碳酸氢盐离子(HCO3.-)参与了这一过程，并由囊性纤维化跨膜电导调节通道提供，通过结合水和创建保护屏障，允许填充的粘蛋白形成网状结构，体积扩大100-1000倍(图2)．1 8 12
小肠和大肠的区别
在人类中，杯状细胞与肠上皮细胞的比例沿肠道变化，估计杯状细胞在肠上皮中的百分比约为十二指肠的4%，空肠的6%，回肠的12%和远端结肠的16% (图2及3)．13这种逐渐的变化可以解释为，沿着肠道，杯状细胞的比例随着微生物数量的增加而成比例地增加。14
在小肠中，粘液在隐窝中分泌，MUC2黏蛋白分泌后被固定在杯状细胞上，为了使其脱离，蛋白酶meprinβ的干预是必要的，蛋白酶meprinβ本身在细菌暴露的控制下被释放(图2)．2 10 12此外，黏液是无附着的，实验上很容易去除(即很容易吸出)，并形成不连续的层。8 10
它还具有相对的多孔性和对不同成分以及细菌的渗透性。1 2然而，在生理情况下，没有细菌与肠上皮细胞接触，除了在绒毛的尖端或节段性丝状细菌(SFB)。17 7 10 15 16值得一提的是，黏液的厚度在小肠的不同部分有所不同，但也根据所考虑的物种而有所不同。尽管在动物中，文献中的数据仍然有限，并且存在一些差异，但有人提出，在小鼠中估计的总粘液厚度在十二指肠中约为500 μ m，空肠中约为250 μ m，回肠中约为200 μ m，17而在大鼠中，十二指肠约170µm，空肠约124µm，回肠约480µm (图2及3)．18关于人体小肠黏液厚度，考虑到在体内难以获得这些测量值，目前的研究还很少;因此，需要进一步的调查，以全面了解现实情况。
在大肠内，黏液分为两层:内层和外层(图2)．尽管观察到它们的蛋白质结构几乎相同，8他们之间有很大的不同。内黏液层不断被MUC2粘蛋白填充，被固定在杯状细胞上，并保持附着在上皮细胞上。7 8 10它有分层的外观，因为它的组织是扁平的，一个在另一个下面，形成一个层状的内部黏液层(图2)．4 5 8 10在小鼠模型中，已经看到内部黏液层是细菌无法穿透的，因为它的孔径可达0.5微米。10 19
在距离上皮细胞一定距离(小鼠≈50 μ m，人类≈200 μ m)时，内黏液被内源性蛋白酶转化为外黏液层，形成了一个锋利的边界，将两者隔开(图2)．10 19外层黏液层的体积扩大了四倍，保持了网状结构，并避免了由于二硫键导致的黏液凝胶溶解。2这种转化似乎依赖于宿主而不是细菌，因为无菌(GF)小鼠也有一个外部黏液层。然而，细菌也可能是造成这种情况的原因之一。8
此外，与内黏液层相比，外黏液层是不附着的(也称为“松散”黏液)。2很容易被吸收，易溶于朝向盐氯化胍它的外边界不太明确。5此外，它具有更大的孔隙，因此可穿透直径达0.5微米的细菌或珠子，代表共生细菌的栖息地。5 10 20
就像在小肠中一样，在结肠中粘液也会因其位置的不同而有所不同。
最近一项对啮齿动物的研究表明，近端结肠和远端结肠之间的粘液组织存在差异;事实上，已经证明黏液附着在粪便颗粒上，并且在远端结肠的上皮表面上不存在。7
此外，厚度也是可变的，不仅取决于结肠段，还取决于所考虑的动物种类(图3)，并根据分泌和降解率之间的平衡而有所不同。21此外，据估计，外黏液层的厚度是内黏液层的两倍，而且随着时间的推移，内黏液层的厚度似乎保持不变。8日17
在人类结肠中，由于手术切除的标本，也测量了黏液的厚度，然而，正如已经指出的小肠，在动物模型和人类中，对大肠黏液层厚度的适当研究都有很大的局限性。
在本部分的总结中，需要强调的是，所描述的大多数观察结果都是在动物模型中或通过使用体外人类细胞获得的，这进一步引发了一个逻辑问题，“这是在体内实际发生的情况吗?”因此，很难将这些数据推广到所有人群。最后，有人提出，当饮食中缺乏特定的膳食纤维时，粘液降解细菌的比例会增加，这意味着在缺乏这类膳食成分的情况下，粘液可能成为肠道菌群的能量来源。22
虽然这已经非常复杂，但我们不能排除影响肠道粘液的其他重要粘蛋白、成分和过程仍有待发现。
粘液的周转和降解
肠道黏液层的翻转包括黏液的合成、分泌和降解，这是一个微妙的过程，需要调节和平衡，以确保黏液保持最佳的保护功能。小肠和大肠之间是不同的，事实上，在上肠道，在隐窝的杯状细胞中Muc2黏蛋白的周转比沿绒毛的慢23而在结肠中，表面的杯状细胞持续分泌内层黏液，而结肠隐窝上部的杯状细胞则在应激刺激下分泌黏液。在活鼠远端结肠组织中，有研究表明内黏液层每1-2小时更新一次。19此外，人类黏液的自发生长速度约为240 μm/小时，小鼠为100 μm/小时。17日24
粘液降解一般是由于蠕动机械剪切力的物理破坏和微生物酶的酶解作用，黏液随肠内容物向直肠运输，最后随粪便排出。7 8在结肠中，黏液外层MUC2的转化允许细菌降解黏蛋白聚糖。1
粘液的作用
肠道黏液层在保护肠道免受机械、化学和生物攻击方面起着主要作用，并有助于维持肠道稳态。7 25它形成了一层覆盖在肠道细胞上的外衣，保护它们免受外界和有毒物质、消化酶和细菌的接触。12黏液的重要保护功能从它持续分泌到胃肠道中脱颖而出:每天大约10升。21
粘蛋白聚糖与水结合的能力赋予粘液保湿和润滑性能，保护上皮细胞在腔内内容物和蠕动力传递过程中免受脱水和机械应力的影响。4 21 25此外，粘液还可以作为表面清洁剂，通过肠道流动结合、收集和冲走碎片和细菌。12在其他功能中，肠黏液层形成了一个扩散屏障，其中小分子，如离子、水、营养物质和气体，可以很容易地通过它扩散并到达肠细胞。2 21粘液的保护功能也是由于它与免疫系统的合作。事实上，粘液是肠道固有粘膜屏障的一部分26通过参与减少抗原暴露和细菌对肠细胞下的免疫系统，从而作为抵御可能有害化合物的第一道免疫防线。19一些研究表明，黏液层还具有直接的免疫作用，因为它们的聚糖能够通过后者上发现的凝集素样蛋白质直接与免疫细胞结合。2 19此外，MUC2黏蛋白增强肠道稳态和口服耐受性，影响树突状细胞和肠上皮细胞，MUC2受体复合物抑制树突状细胞炎症反应。27
黏液层在与肠道菌群的相互作用中起着重要作用，提供营养物质和附着位点。28
小肠粘液的保护功能在小肠和大肠之间是不同的。在第一种情况下，粘液形成大孔，细菌和其他成分可以穿透，但尽管如此，在正常情况下，细菌和上皮细胞之间的接触是有限的。1 29事实上，黏液的持续基础分泌形成了一种流向管腔的流动，与抗菌剂(如溶菌酶DMBT1、IgA、防御素、REG3γ和磷脂酶A2-IIA)的存在一起，使细菌远离上皮表面。2 4 19 30这些抗菌剂由隐窝底部的潘氏细胞和肠上皮细胞分泌，与分泌的粘液混合2 10 19并通过黏液被保留和扩散，避免它们迅速稀释并流入肠腔。10 21此外，它们扩散缓慢，形成抑菌扩散梯度，从上皮细胞到肠腔的浓度降低。2 10相比之下，在结肠中，内部黏液层实际上是抵御细菌的第一道防线，12形成大小排除过滤器，将细菌从上皮细胞和免疫系统中分离出来。5这种分离已在人类活检标本中得到证实。31
粘液和肠道菌群的双向相互作用
肠道菌群在肠道内分布的梯度随其行进而变化;事实上，微生物密度从近端到远端都在增加，每克肠道内容物的微生物细胞数量如下:103.在十二指肠，104在空肠，107在回肠和1012在冒号里。32此外，从上皮细胞到管腔的微生物密度增加，后者中发现的细菌数量最多，实际上很少有细菌种类能够很好地适应黏液层，而不是在管腔中。32除了粘附这一重要功能外，肠道菌群还强烈地有助于调节肠道黏液层。这一观察的初步证据来自于对GF小鼠进行的研究。例如，研究表明肠道菌群是形成适当黏液层的基础，GF小鼠的黏液与常规饲养(Convr)小鼠的黏液不同。首先，在GF小鼠中，被填充的杯状细胞数量较低，小肠黏液被固定在杯状细胞上，不能被实验吸出。33
如前所述，为了从小肠中释放粘液，需要meprinβ酶的作用，这反过来又需要肠道菌群的存在被激活，34而粘液脱离是维持小肠稳态的重要步骤。2此外，与Convr小鼠相比，结肠内黏液层更薄，细菌可以穿透。甚至两组小鼠的糖基化特征也存在差异，最明显的GF粘液差异是2三糖核更丰富和2个单唾液化核2异构体。33
此外，细菌产物可能参与这些过程，考虑到脂多糖(LPS)和肽聚糖刺激GF小鼠的粘液分泌并恢复粘液特性，其程度与常规饲养的动物相似。35总之，这些研究观察到，小肠和大肠中的保护性粘液取决于细菌或其成分和代谢物的存在，以成熟和发展其适当的结构。33 36
尽管这些数据很有趣，但仍有许多问题没有得到解答。例如，“肠道微生物群和相关化合物究竟以何种方式促进黏液层的形成?”“meprinβ激活是一种独特的机制吗?还是还有其他潜在的机制需要我们去发现?””
在这种情况下，另一个非常重要的问题是“是否有特定的肠道微生物群组成或特定的独特细菌负责这些影响?””
所有这些关键问题都需要进一步研究，以充分了解肠道菌群和相关分子如何影响肠道粘液的形成和降解。
肠道菌群组成影响粘液的性质
事实上，肠道菌群组成在影响肠道粘液中起着关键作用，这一事实已经在一项研究中得到了很好的说明，该研究比较了基因相同但被安置在同一动物设施的不同房间的两个小鼠群落。研究人员发现，尽管小鼠具有相同的遗传背景，但在不同的房间饲养它们与不同的肠道微生物群组成有关，因此，肠道粘液性质也存在一些差异。特别是，研究人员发现，一个菌落有一层结肠黏液层，细菌或细菌大小的珠子无法穿透，而另一个菌落则相反。他们证明，这些差异可能归因于肠道菌群的组成，因为粘液的特性是在盲肠菌群移植到GF小鼠后传递的。37在这一阶段，他们的研究表明，一些细菌(即丹毒类，Allobaculum)有能力更好地诱导不可穿透的内黏液层，而其他门(如变形菌门和TM7)则有相反的效果。33
在这一重要观察之后，一个关键问题可能是“肠道微生物群影响粘液成分的机制是什么?””
一个可能的答案是糖基转移酶的表达模式。事实上，特定细菌的存在和数量都塑造了粘液的聚糖谱，并与许多糖基转移酶直接相关，这些酶的水平在肠道菌群存在时升高。28日30例如，已经观察到一些细菌能够诱导宿主focusyltransferase的表达，其中在α−1,2位置添加L- focus和唾液酰转移酶。30.此外，宿主细菌群落能够影响MUC2的糖基化和跨膜粘蛋白的糖基化。6
肠道菌群的组成从粘膜到腔内各不相同
正如在人类和小鼠中观察到的那样，肠道菌群的组成从粘膜到腔内/粪便侧都发生了变化。38-42已知腔内和粘膜相关菌群是不同的生态系统，具有不同的微生物多样性和组成，以及不同的代谢和免疫功能。41在人类和小鼠身上都显示，有许多因素影响肠道内的细菌分布。其中，饮食、氧气梯度、黏液、抗菌剂、微生物粘附和宿主免疫系统可能是最重要的。38 43 44特别是，肠道氧气和营养分布都能够影响粪便和粘膜粘附微生物群的肠道微生物群组成，这表明氧气可以促进或阻碍上皮表面附近一些微生物的生长。40 43
Mucos-associated微生物群
肠道黏液层代表了肠道菌群的自然和生物选择性栖息地，由于黏蛋白聚糖的存在，被称为“黏液相关微生物”的特定微生物可以在其中生存，黏蛋白聚糖作为细菌的附着位点，促进了细菌的定植。2 7 45
肠道菌群领域的一个主要警告是，与粪便肠道菌群相比，粘膜菌群的确切组成仍然研究不足。然而，一些研究表明，一般来说，在人类和啮齿动物中，厚壁菌门在黏液层中的丰度高于拟杆菌门。14 46也有人认为粘膜侧富集于Lachnospiraceae，Ruminococcaceae，双歧杆菌bifidum，双歧杆菌longum疣菌门(以粘液专家为代表)Akkermansia muciniphila)．特别是在人类中，存在Lachnospiraceae，肠杆菌科，拟杆菌，直肠真杆菌，prausnitzii粪杆菌，真细菌椭圆柱，histolyticum梭状芽胞杆菌，lituseburense梭状芽胞杆菌而且答:muciniphila，而在小鼠中，SFB乳酸菌spp和答:muciniphila．46
然而，存在于结肠外层或内层的肠道微生物群的组成也有特定的差异。事实上，有人认为，结肠外黏液层是由粘液降解细菌定植，如拟杆菌acidifaciens(老鼠)脆弱拟杆菌，Bifidobacteriaceae而且答:muciniphila(在小鼠和人类)。尽管现有的假设认为，健康个体的结肠内层黏液中没有细菌，但正如在健康小鼠和人类中观察到的那样，一些细菌能够穿透黏液并与结肠隐窝结合。已表明，能够与结肠隐窝相联系的群落主要由不动杆菌而SPP通常是丰富的变形菌门．43此外，最近对小鼠和人类的研究表明，粪便和内部粘液的细菌组成存在巨大差异。与粪便样品相比，粘液内层的特征是变形菌门(Proteobacteria)占20%-60%，拟杆菌门(Bacteroidetes)减少，物种(α)多样性水平较高。47最后，认为与粘膜相关的细菌促进粘液分泌，最终增加粘液层厚度。15
粘液-肠道菌群相互作用
影响黏液层中特定细菌存在的一些因素取决于后者的化学性质。事实上，已经观察到粘蛋白糖基化特征能够影响黏液相关细菌的组成，选择特定的物种，并且粘蛋白o -聚糖促进与宿主微生物的稳态。45分泌黏蛋白和跨膜黏蛋白都为微生物的甘聚糖结合成分提供了相互作用和附着位点。6微生物的黏液结合能力决定了黏液定殖的能力，增加定殖时间是很重要的。46考虑到每个物种都有一个核心微生物群，而且不同物种之间的聚糖谱不同，这表明只有特定的细菌粘附素才能在特定的宿主内适应。5事实上，细菌粘附会影响肠道菌群的组成，比如在小肠中幽门螺杆菌spp和SFB能够粘附并定植上皮表面，附着在宿主聚糖上。43细菌可以通过外膜蛋白、凝集素、粘连素、囊体和附属物(如毛毛、鞭毛和阴毛)相互作用并粘附在粘液和上皮表面聚糖上。2 7 32 43
除了提供附着位点外，粘蛋白聚糖还可以作为微生物的营养物质，即所谓的“溶粘细菌”，39有利于复制。1 7细菌能够通过它们的糖苷酶消化聚糖，也称为聚糖降解酶，通常是外糖苷酶类型，每次去除一个糖残渣。5 32有人认为，高达40%的细菌基因组编码这些酶。然而，释放的糖基残基可以被消化它们的细菌或肠道菌群的其他成员利用。28并不是所有的细菌都具有清除所有粘蛋白聚糖所需的所有酶，但只有少数细菌可以被认为是粘液溶解专家(例如，答:muciniphila)．12 39此外，考虑到不同宿主之间的聚糖谱不同，这表明只有特定的微生物物种具有能够在特定宿主中复制的酶库，进一步证实了宿主选择肠道菌群的能力。28聚糖降解酶从粘蛋白聚糖链的非还原端开始起作用，当所有的聚糖被去除后，粘蛋白的蛋白质核心被降解，整个粘蛋白聚合物网络最终被溶解。5这一过程有助于MUC2粘蛋白和粘液的降解。1 48在粘蛋白降解所需的特定酶中，有糖苷水解酶(如唾液酸酶、焦酶、外-β- n -乙酰氨基葡萄糖苷酶和内-β- n -乙酰氨基葡萄糖苷酶、β-半乳糖苷酶、α- n -乙酰氨基葡萄糖苷酶、α- n -乙酰半乳糖胺酶)、磺化酶和蛋白酶，7属于碳水化合物活性酶的范畴。9当使用聚糖作为能量来源时，这些酶通过发酵过程产生短链脂肪酸(SCFAs)(乙酸和丁酸)。12 49然后，结肠菌细胞吸收并利用SCFAs来回收用于昂贵的MUC2粘蛋白合成和分泌的部分能量49，进一步证实了宿主和肠道菌群之间的互惠关系。49有人认为，在粘液蛋白降解细菌中，有大多数答:muciniphila，叫多形拟杆菌，双歧杆菌bifidum，脆弱拟杆菌，瘤胃球菌属gnavus而且瘤胃球菌属扭矩．46考虑到纤维多糖是肠道菌群的主要能量来源，这表明当膳食中缺乏纤维多糖时，粘液降解细菌的比例会增加。22事实上，一些细菌能够根据可利用的营养类型，调整它们的营养偏好，从粘蛋白聚糖到膳食碳水化合物。例如，对于人类结肠厌氧菌，主要的能量来源是可发酵的碳水化合物，包括在膳食微生物群可及碳水化合物(MACs)的范畴内，这意味着碳水化合物不被宿主酶消化，但被微生物用作能量来源。因此，MACs可能来自各种各样的膳食来源，包括不可消化的可食用植物成分，但也包括食源性微生物，但必须由微生物群代谢。值得注意的是，人类食用的纤维素不是由肠道微生物代谢的，也不是合格的“mac”。50 51在食物限制或缺乏饮食MACs的情况下，这些细菌依赖于宿主来源的内源性MACs，以粘蛋白聚糖为代表。2 51亚种是一个例子，考虑到它的能力改变其碳水化合物的收获活动，以承载与营养可用性有关的多糖。50然而，这与粘液降解细菌相反答:muciniphila在高脂肪饮食和低纤维饮食中，维生素d含量较少。52此外，考虑到黏液降解是维持保护性屏障的一个因素，以及一些降解黏液的细菌(如答:muciniphila)增加，并且与黏液厚度的恢复有关，问题是“为什么一些降解黏液的细菌对黏液的维持有益，而另一些有害?”“很可能还有其他隐藏的机制需要我们去发现。最后，细菌不仅可以利用聚糖作为能量来源，还可以形成新的聚合物，用作细胞外胶囊。通过这种方式，一些细菌可以改变它们的胶囊成分，促进对免疫系统的逃避。53
黏液层有共生菌和致病菌
共生菌和致病菌都可以降解和利用粘蛋白聚糖作为能量来源和附着位点，促进其复制和定植，但致病菌也能引起感染。43在正常情况下，有一些机制可以避免病原体的入侵和感染。例如，肠道上皮可以通过微生物的特定分子模式(例如，模式识别受体)来区分共生菌群和致病菌群，这些微生物能够激活特定的途径，导致炎症反应病原体的入侵。14 54此外，有益细菌可以通过增加粘液的产生和占据粘蛋白上可用的结合位点来防止病原体的入侵，从而阻碍病原体的粘附。14 43另一种保护机制是黏液的粘性和鞭毛蛋白的免疫原性限制了黏液的运动性。43然而，在某些情况下，致病菌可以降解并穿透保护性黏液层，随后粘附并定植肠上皮细胞，引起感染。25为了定植和感染肠上皮，致病菌需要降解黏液层并渗透进去。这要归功于粘液蛋白降解蛋白酶、趋化性和鞭毛的存在，它们允许细菌在粘液内移动，与通常将它们推向腔内的粘液流动相反，并粘附在粘液蛋白聚糖上。2 25 43致病菌还可能改变粘液的pH值，影响粘液粘度。例如，有人建议幽门螺杆菌增加pH值，降低粘液的粘弹性，增加粘液的运动性。25一些致病菌还能够利用共生菌降解粘蛋白释放的产物，如游离焦和唾液酸，来支持它们在粘液内的增殖。7最后，粘液保护屏障功能的改变可以通过影响黏蛋白的表达、合成和分泌而允许肠上皮细胞的入侵。7 25
我们将在下一章中更好地解释病原体如何改变黏液层并感染肠道。
黏液层是如何变化的，其后果是什么
肠黏液层不是静止的，尽管有基础的和连续的分泌水平。相反，在本文前面讨论的过程中，受许多因素的影响，数量之多令人难以置信。事实上，重要的是要注意粘蛋白的合成也在转录和表观遗传水平上受到调控。例如，转录因子能够结合到MUC2启动子上的特定位点。许多信号通路已经被描述为专门针对MUC2的转录调控。它们可以连接到特定的细菌或微生物产物，如LPS、鞭毛蛋白、脂磷酸(LPA)、脂肽，并主要通过激活核因子(NF)-κB起作用，NF -κB已被证明在MUC2的启动子中有一个结合位点。类似地，一些炎症标志物(如肿瘤坏死因子-α、血清淀粉样蛋白A3和白介素(IL))也激活NF-κB通路并刺激MUC2的转录(图4)，55 56而Janus激酶的激活具有抑制作用。57其他通路如camp反应元件结合蛋白和ATF1被丝裂原激活蛋白激酶和p38激活，并被描述为调节MUC2的表达(图4)．58IL-1β、IL-4、IL-13和L-22等IL已被证明参与了杯状细胞分化和粘蛋白表达的调节。10类似但也有其他非常复杂的途径被不同的激素、神经递质(如血管活性肠肽、乙酰胆碱)或脂质(如胆汁酸、前列腺素、丁酸盐)激活，并最终调节MUC2的表达(有待综述)14 59 60） (图4)．最后，通过研究不同类型的结肠癌，研究表明表观遗传机制，如MUC2特定区域CpG岛的甲基化，DNA甲基化或组蛋白修饰，以及微rna有助于MUC2表达的复杂调控。61 62
调节粘液表达和分泌的主要效应器。主要效应物(即肠道细菌、细胞因子和炎症标志物、激素、神经递质和生物活性脂类)作用于特定的外部(细胞外)和内部(细胞内信号转导)信号通路，影响主要粘蛋白MUC2的表达(即基因表达和合成)和分泌，以及对宿主的影响。CREB, camp反应元件(CRE)结合蛋白;DCA，脱氧胆酸;EGF，表皮生长因子;FXR，法尼类受体X;IL,白介素;JAK, Janus激酶;JNK, c- jun - n端激酶;LP, lipopeptide; LPA, lipoteichoic acid; LPS, lipopolysaccharides; MAPK, mitogen-activated protein kinases; SAA, serum amyloid A; STAT, signal transducer and activator of transcription; TGF-alpha, transforming growth factor alpha; TLR, prostaglandin E2 (PGE2) Toll-like receptors; TNF, tumour necrosis factor; VIP, vasoactive intestinal peptide.
因此，鉴于黏液蛋白的表达、合成、分泌、降解、糖基化和结构，以及黏液的组成、粘度、厚度和渗透性可随宿主因素而改变(图4)和外部因素(如病原体、益生菌制剂、饮食、食品添加剂或污染物和抗生素)，2 7 14 63这意味着粘液屏障的调节是一个非常复杂的系统，所有上述因素都会对黏液层产生积极或消极的影响。显然，了解黏液层是如何被调节的是极其重要的。
黏液层损伤
“黏液层损伤”是指可能发生以下某些改变的情况:黏液合成、分泌、厚度和粘度减少，黏液降解和渗透性增加，黏液蛋白糖基化剖面和黏液成分改变。因此，允许共生和致病微生物到达肠上皮，从而导致感染和炎症，如许多疾病所述。2 33
肠道疾病
粘液保护屏障的改变在IBD的发病中起着关键作用，如克罗恩病(CD)和溃疡性结肠炎(UC)。15 25 64
例如，在缺乏MUC2粘蛋白的小鼠中，结肠被直接与上皮细胞接触的细菌入侵，并向下渗透到隐窝和上皮细胞。5 8这种细菌入侵诱导了结肠免疫系统的反应，其特征是炎症、腹泻、直肠和结肠脱垂、直肠出血以及结肠癌发展和自发性结肠炎的风险增加。5 7 8 10 65
另一个例子是粘蛋白o -糖基化剖面的改变。事实上，有人认为粘蛋白o -糖基化影响粘液的性质和穿透性以及相关微生物的组成，它对肠道粘液的功能至关重要。此外，已经观察到粘蛋白o -糖基化在IBD和结直肠癌中发生改变。7
在这种情况下，已经观察到在缺乏Core 1糖基转移酶的小鼠中，MUC2粘蛋白的o -聚糖更短，降解速度更快，这些小鼠出现了严重的结肠炎。5 66 67另一项研究表明，除了结肠发炎的受试者外，所有人乙状结肠中MUC2 o聚糖的水平都是一致的。8所有这些研究都证明了改变的宿主糖基化是如何与几种疾病相关的。
在IBD期间，有粘液降解细菌的增加，如那些来自大肠杆菌瘤胃球菌属的家庭,7 25在UC期间，活动性炎症患者的结肠粘液层较薄，原因是MUC2的产生和分泌减少，粘液成分改变，其特征是MUC2的o -联糖基化改变，对细菌的渗透性增加。2 7 12 25 49据观察，MUC2的糖基化在患者缓解后恢复正常。33最后，在CD期间，黏液层变厚，提示MUC2表达增加和杯状细胞增生，但由于低聚糖链长度减少50%，MUC2的结构发生改变，导致黏液粘弹性特性丧失，从而丧失保护功能。25
在引起黏液层改变的原因中，我们接下来重点研究了病理微生物和一些与营养有关的因素，如高脂肪饮食或西方饮食、低纤维饮食和食品添加剂(乳化剂)。
病态的微生物
病原微生物可以通过多种途径改变肠道黏液层。其中之一就是它们降解粘蛋白的能力，就像霍乱弧菌还有原生动物兰伯氏贾第虫在小肠中产生的蛋白酶大肠杆菌,原生动物的痢疾阿米巴或者线虫鞭虫缪里斯在大肠内(图5)．4日22
特定微生物和微生物代谢产物对粘液的调节。概述不同微生物种类、寄生虫和短链脂肪酸(SCFAs)对粘液性质、组成或功能的影响。
通过粘液降解，减少粘液的厚度，增加粘液的渗透性。这也会导致理论上通常无法分裂粘液的微生物感染。39此外，一些物种(例如，单核增生李斯特菌，溶组织大肠杆菌，巴西nippo圆线虫和旋毛虫)抑制黏液的产生，并直接或间接地调节杯状细胞的功能和黏液蛋白的表达(图5)．14 25肠道对感染的第一反应是增加杯状细胞数量，增加粘液合成和分泌，目的是赶走微生物，但在慢性感染期间，粘液分泌过多导致杯状细胞耗竭，粘液合成和分泌减少，内质网应激降低，最终导致炎症。2 4 14
饮食
在与粘液层破坏有关的原因中，已表明饮食成分具有重要作用。68例如，在高脂饮食喂养期间，黏液的产生和分泌会受到损害，阻碍屏障的物种会增多，而蛋白质的表达也会减少Ctfr基因在小鼠回肠肠上皮细胞，导致黏液粘度和密度降低，肠通透性增加。69 70此外，黏液层在代谢紊乱(如肥胖和2型糖尿病)的发展和存在期间发生改变。52 70 - 73
类似地，西式饮食(WSD)(含有40.5%的千卡来自脂肪(41%饱和，52%单不饱和)，40.5%来自碳水化合物(蔗糖18%，玉米淀粉16.0%，麦芽糊精12.0%，纤维素4.0% (w/v))导致肠道微生物群组成的改变和与结肠内黏液层损伤相关的短链脂肪酸产生的减少，包括厚度减少和黏液渗透性增加(已经在WSD 3天后)。此外，在以西方生活方式为特征的地区，UC的发病率增加，进一步表明饮食、粘液屏障功能和IBD之间存在关联。49这些饮食的影响可以解释为膳食纤维的一定缺乏，考虑到在膳食中缺乏纤维(或膳食MACs)也会出现同样的结果，这与结肠炎和病原体感染的发病率增加有关，而定期食用膳食纤维(实验室饮食中含有~15%的膳食纤维来自最低加工的谷物和植物)具有预防作用。这表明纤维在形成保护性粘液屏障方面起着至关重要的作用。22 51 74 75
近年来，一些食品添加剂，如乳化剂，在食品中存在的量非常小(~2%)，已被证明可以诱导与黏液层损伤相关的肠道微生物群组成的改变。具体来说，这些改变与黏液层厚度的减少有关76肠道穿透力增加，77造成保护性粘液屏障的侵蚀，增加细菌对上皮细胞的粘附。78更重要的是，所有这些影响都与肠道炎症和代谢改变有关。77 79
黏液层增强
在有助于预防、改善和维持保护性黏液层的治疗方法和因素中，我们将简要介绍以下内容:益生菌、下一代有益细菌和微生物产品和成分。
益生菌，下一代有益菌及微生物产品
益生菌是一种活的有机体，适量的益生菌对宿主的健康有益。80它们可能会影响黏液屏障，例如，增加黏液蛋白基因的表达，就像黏附的情况一样乳酸菌它们能够刺激人肠上皮细胞MUC3的表达和MUC2的产生和分泌。81 82其他的例子包括双歧杆菌longum在用WSD喂养小鼠4周后补充，可以恢复粘液的生长，83而且这种乳酸菌，显示出对右旋糖酐硫酸钠治疗小鼠的保护作用，增加黏液层厚度(图5)．84
最后，另一个改变黏液层的关键细菌是答:muciniphila．事实上，在高脂饮食喂养期间，小鼠的内层黏液比对照组更薄，而在高脂饮食喂养的小鼠中，存活能力更强答:muciniphila补充后，观察到相反的效果(即黏液层厚度恢复)(图5)．52有趣的是，虽然这种细菌被称为粘液降解剂，补充答:muciniphila增加杯状细胞的数量和产生抗菌肽，如Reg3g和LyZ1。总之，这些发现表明答:muciniphila与宿主细胞交流，最终刺激粘液的产生(图5)．52 85 - 88值得注意的是，这种对杯状细胞数量和肠道屏障加强的重要影响也观察到答:muciniphila巴氏灭菌法致死但高压灭菌法不致死。89在潜在的机制中，已经证明答:muciniphila在其外膜上表达特定的蛋白质，如Amuc_1100蛋白。这种蛋白质对加热过程具有抗性，并保持活性构象。89有趣的是，只使用这种蛋白质和不使用这种细菌的小鼠，也复制了细菌在增加杯状细胞数量和增强肠道屏障方面的作用。89引人注目的是，这种蛋白质结合并激活TLR2，因此可能解释了细菌在调节免疫和增强肠道屏障方面的作用(图4)．因此，这表明细菌的生存能力并不需要观察有益的影响。总而言之，这表明黏液层厚度的调节是通过答:muciniphila可能比这种细菌对粘液聚糖的“简单”主动降解和利用更复杂，还涉及特定的微生物化合物。有趣的是，除了在啮齿类动物中获得的数据外，肥胖和2型糖尿病受试者也具有较低丰度的特征答:muciniphila．80 90在对代谢综合征受试者进行的首次概念验证试验中，我们最近证实了这一点答:muciniphila改善新陈代谢(即改善胰岛素敏感性，降低炎症)，同时降低血浆LPS水平，从而表明肠道屏障的加强。91
总之，这个具体的例子是额外的证据，表明肠道微生物群、黏液层/肠道屏障和疾病之间存在关联。
例如答:muciniphila它的成分对于被认为是粘液专家的细菌来说是很明显的。然而，其他细菌本身也会影响粘液，但也会影响特定的产物和成分，如短链脂肪酸、脂多糖、鞭毛蛋白和LPA (图4)．例如，已有研究表明，粘膜相关细菌通过释放微生物相关分子模式(mamp)和产生SCFAs促进粘液分泌并增加粘液层厚度。15此外，还观察到SCFAs，如醋酸盐和丁酸盐，刺激肠上皮细胞中的MUC2表达，并增加粘液的产生和分泌(图5)．25 92 93此外，在细菌成分中，革兰氏阴性菌的纯化鞭毛蛋白、革兰氏阳性菌的LPA和LPS均能上调粘蛋白的表达，而后者也能增加杯状细胞的粘液分泌(图4)．7 14 81 94
结论
总之，在这篇综述中，我们涵盖了粘液屏障的不同互补方面，包括粘液的化学、产生、分泌和降解，以及涉及黏液层状态修改的各种因素。尽管粘液屏障在许多研究中仍然是肠道屏障功能中被忽视的组成部分，但人们越来越重视不同的研究方法，从简单的粘液厚度研究到其详细组成、周转率和穿透性研究，以及杯状细胞数量及其分化的调节。为了有一个全面和更准确的视野，研究人员不应该仅仅依赖于表征粘液的一个因素，例如它的厚度，考虑到它的增加通常与粘液屏障的改善有关，但它也可以隐藏致病性感染的开始。
此外，黏液层不仅是保护宿主免受微生物入侵的重要因素，而且有助于宿主与微生物之间的互惠共生。许多疾病都与黏液层厚度的改变有关，但仍难以确定这种影响是疾病的原因还是后果。此外，最近的证据表明，特定的肠道微生物有助于调节粘液屏障，并最终促进肠道和宿主的健康(例如，答:muciniphila）;然而，仍有许多空白需要填补，以了解隐藏在这些被忽视的黏糊糊的伙伴背后的复杂机制。
致谢
图1和图2是用BioRender.com创建的
参考文献
脚注
推特@Paola_9229, @MicrObesity
贡献者PP和PDC构思并绘制了图。PP和PDC都为设计和撰写评论做出了贡献。
资金PDC是比利时FRS-FNRS(科学研究基金会)的高级助理研究员。他得到了Fonds Baillet Latour(2015年医学研究基金)和Fonds de la Recherche Scientifique (FNRS, FRFS-WELBIO: WELBIO-CR-2019C-02R, EOS项目no.30770923)的支持。PDC和PP获得了欧盟地平线2020研究和创新计划(H2020 MSCA甜蜜相声项目，资助协议No 814102)的资助。
相互竞争的利益PDC是一个专利申请的发明人，涉及在肥胖和相关疾病的背景下使用Akkermansia muciniphila及其成分。PDC是A-Mansia Biotech SA的联合创始人。
患者发表同意书不是必需的。
出处和同行评审委托;外部同行评审。