黏液屏障，粘蛋白和肠道菌群：预期的“三粘伴”吗?
作者：Paola Paone, Patrice D Cani
Patrice D Cani教授的主要研究方向是复杂生物系统的综合生理学及其与肠道微生物的关系。通过结合不同的“组学”方法，如代谢组学、宏基因组学、脂质体学和转录组学，他发现内源性大麻素系统、先天免疫系统和肠道细菌在肥胖、2型糖尿病、心脏代谢紊乱和代谢性炎症的发病中发挥作用。
I F：19.819
单位：比利时布鲁塞尔鲁汶天主教大学，瓦隆生命科学和生物技术卓越中心（WELBIO），鲁汶药物研究所新陈代谢和营养研究小组
期刊：Gut，10.1136/gutjnl-2020-322260
发布时间：09-11
胃肠道通常被认为是消化食物、提供营养的关键器官。但是，该系统是由极其复杂的器官组成。肠道的表面被数百万亿的肠道微生物定殖。
肠屏障的作用已被研究了数十年，保护肠屏障的确切机制却是多种多样。其中，粘液屏障的完整性是胃肠道保护的第一线。过去，这种“粘糊糊”的部分通常被认为是一种简单的润滑剂，促进食物团和肠道中的粪便的前行。
随着之后不同的研究人员取得的重要进展，目前，对这种粘液屏障的调节受到科学界越来越多的关注。在影响粘液屏障的因素中，微生物组在驱动粘液变化中起主要作用。
此外，我们的饮食习惯（即高脂饮食，低纤维/高纤维饮食，食品添加剂，益生菌）会在不同水平上影响粘液。鉴于粘液层与疾病的出现有关，因此适当的知识是非常必要的。
在这里，我们通过关注粘液层的化学组成，微生物群对合成和降解的调控以及在生理和病理情况下粘液层的某些特性来讨论粘液层的不同方面。
整个胃肠道的粘膜完整性对于维持健康至关重要。这篇综述旨在讨论肠屏障完整性的关键组成部分之一：覆盖肠上皮表面的粘液。粘液由许多成分组成：水（90％–95％），电解质，脂质（1％–2％），蛋白质等。
黏液蛋白是黏液中主要的结构和功能成分，浓度为1% - 5%，由于它的存在，黏液是一种稀的、水润的、粘弹性的分泌物。
在本文中，我们将特别关注以下问题：粘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？肠道微生物如何促进这种调节？有哪些因素影响其生产和构成？
因此，本文将从粘液的结构和组成分为不同的部分，讨论跨膜粘蛋白和凝胶形成粘蛋白之间的差异，以及小肠和大肠之间粘液成分的变化。
之后，我们重点研究黏液的作用，黏液与肠道菌群的双向相互作用，饮食，特定益生菌或炎症性肠病（IBD）等外部因素如何影响这种作用甚至影响健康。
因此，这篇综述将不仅详细介绍粘液层生理学中涉及的不同机制和关键分子元素，还将详细讨论具体修饰的影响。
图1 MUC2的化学结构和肠内粘液的合成。MUC2的特殊结构包括不同的步骤，这些步骤包括由肽基-GalNAc转移酶进行的糖基化，该步将第一个糖N-乙酰半乳糖胺（GalNAc）残基添加到PTS序列的Ser和Thr中。随后用例如GalNAc，半乳糖，N-乙酰氨基葡萄糖（GlcNAc），N-乙酰神经氨酸（NeuAc）和硫酸根基团延长O-聚糖链的分支。肠上皮细胞表面的跨膜粘蛋白图解：Pro，脯氨酸；Ser，丝氨酸；Thr，苏氨酸。
粘蛋白是一个大型，复杂的糖基化蛋白家族，其特征是一个重要的元素“粘蛋白结构域”。它由一个蛋白质核心组成，其中含有脯氨酸（Pro），苏氨酸（Thr）和丝氨酸（Ser）残基的序列，称为“富PTS”的序列，“富PTS”的序列通常串联重复，其中丝氨酸和丝氨酸高度O-糖基化，形成瓶刷状构象（图1）。
相反，脯氨酸Pro确保粘蛋白在高尔基体中保持未折叠的状态，从而允许O-糖基化过程（所有化学步骤在图1和2中进行了详细说明）。80%以上的粘蛋白由O-聚糖组成，O-糖基化是影响粘蛋白的主要修饰和糖基化类型。
O-糖基化是一个重要的过程，可以产生多糖涂层，隐藏粘蛋白的核心蛋白，保护其免受内源性蛋白酶降解，此外还具有结合并溶于水和形成凝胶的能力。
糖基化作用在消化道的不同区域和个体之间是不同的，这取决于糖基转移酶的表达，健康或疾病的状态以及微生物的定植。然而，在人类大肠远端的糖基化是一致的。此外，在健康个体中，我们观察到MUC2的O-糖基化在定性和定量上也是一致的。
最后，粘蛋白可以分为两种不同的类型：跨膜粘蛋白和形成凝胶的粘蛋白。
图2 小肠和大肠中粘液的产生和分布。小肠和大肠中粘液层的类型展示（内粘液层和外粘液层）。鉴别杯状细胞中粘液产生及其在管腔中的分泌和扩增的步骤（从1到7）。首先，MUC2单体在内质网（ER）中形成二聚体，然后在高尔基体中被O-糖基化，在反高尔基网络（TGN）中，MUC2粘蛋白二聚体形成三聚体堆积在分泌小泡内。粘液分泌是一个复杂的过程。当杯状细胞从隐窝底部迁移时会充满Muc2和其他成分，例如IgG结合蛋白（FCGBP）的Fc片段，氯通道附件1（CLCA1），酶原颗粒蛋白16（ZG16）和前梯度同源物2（AGR2）。分泌囊泡与杯状细胞的顶膜融合后，通过胞吐作用挤出其内容物，从而分泌粘液。最后，包裹好的粘蛋白必须暴露于多种因素下，例如变化的pH，Ca + 2和碳酸氢根离子（HCO3-）浓度。在囊性纤维化跨膜电导调节剂（CFTR）通道的作用下可使粘蛋白膨胀100-1000倍体积并结合水形成网状结构。
跨膜粘蛋白合成后附着在肠细胞的细胞膜上，覆盖其顶表面（图1和图2），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）。肠道中不同的粘蛋白，不同的位置发现了MUC1 / 3/4/12/13/15/17/20和21（图3）。
MUC3 / 12/17的N端胞外粘蛋白结构域从肠细胞微绒毛的尖端进入肠腔约1 µm，表明它们参与肠细胞密集糖基化糖萼的形成。
MUC3 / 4/12/13和17一直都会表达，而MUC1和MUC16粘蛋白仅在响应癌症和感染时被上调，这些粘蛋白不参与粘液凝胶的形成，其功能主要是保护细胞。
它们可能是腔环境的传感器，参与宿主与微生物的相互作用。需要进一步研究了解其特定功能以及肠道中是否存在其他可能的类型。
图3 小鼠和人类肠道中的粘液厚度和粘蛋白。区分小鼠和人类胃肠道不同部位的粘蛋白类型和粘液厚度，以及它们的特定作用。
形成凝胶的粘蛋白（具有凝胶状特性）是由杯状细胞（图2）分泌和合成的，杯状细胞的数量比小肠绒毛和结肠上部的隐窝要多（图2和3）。
在形成凝胶的粘蛋白中，MUC6在Brunner腺的十二指肠中表达， MUC5B在结肠中微弱表达，而粘蛋白2（MUC2 / Muc2）是胃肠道分泌最主要的粘蛋白。
注意的是，在下文中，粘蛋白在指人类（即MUC2）时以大写字母表示，而对于动物只有首字母大写（即Muc2）。
MUC2是肠道粘液的主要成分，存在于小肠和大肠中并形成粘液骨架（图1），如图3所示，也有仅在胃肠道特定位置表达的特定粘蛋白。
重要的是要注意，肠粘液主要成分MUC2粘蛋白的生物合成非常复杂，并且包括图1和图2中详述的几个步骤。
杯状细胞从隐窝底部迁移时会用Muc2和其他黏液成分填充分泌囊泡，例如IgG结合蛋白的Fc片段，氯通道附属1，酶原颗粒蛋白16和前梯度同源物2。分泌囊泡与顶膜融合后通过胞吐作用来挤出其内容物。
分泌后，为了使填充的粘蛋白适当地膨胀，必须将粘蛋白暴露于pH升高和钙浓度降低的环境中。囊性纤维化跨膜传导调节通道提供碳酸氢根离子（HCO3-），使包裹的粘蛋白体积膨胀100-1000倍，结合水形成网状结构保护屏障（图2）。
在人体中，杯状细胞与肠上皮细胞的比例沿肠道变化，肠上皮中杯状细胞的百分比在十二指肠中约为4％，空肠中为6％，回肠中为12％，远端结肠16％中（图2和图3）。这种变化的原因：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。
在小肠中，粘液在隐窝中分泌，分泌后将MUC2粘蛋白锚定到杯状细胞中，为了使其分离，蛋白酶meprinβ的干预是必需的，它在细菌的控制下释放（ 图2）。此外，粘液是未附着的，在实验上很容易去除（即容易吸出）并形成不连续层。
粘液是相对多孔的，对不同的成分和细菌都具有渗透性。然而，在生理条件下，除了绒毛尖端或分段的丝状细菌外，细菌与肠上皮细胞没有接触（SFB）。
值得一提的是，粘液厚度沿小肠的不同部分变化，也取决于所考虑的物种。尽管在动物文献中提供的数据仍然有限且存在一些差异，但据建议，小鼠中总粘液厚度在十二指肠中约为500 μm，在空肠中约为250 μm，在回肠中约为200 μm，在大鼠中，十二指肠约170 μm，空肠约124 μm，回肠约480 μm（图2和图3）。
关于人类小肠的粘液厚度，考虑在体内难以获得这些测量值，尚无可用的研究；因此，需要进行进一步的研究以获得真实的情况。
在大肠中，粘液分为两个不同的层：内层和外层（图2）。尽管观察到它们具有几乎相同的蛋白质谱，但它们之间却存在显着差异。内层粘液层被MUC2粘蛋白不断补充，锚定在杯状细胞上并保持附着在上皮细胞上。由于其组织成扁平片状，一层层形成具有分层的外观的层状内粘液层（图2）。在小鼠模型中因为其孔径低至0.5 μm，所以内粘液层不渗透细菌。
在距上皮一定距离处（小鼠为50 μm，人类为200 μm），内部粘液被内源性蛋白酶转化为外部粘液层，形成了分隔清晰的边界（图2）。外黏液层体积扩大四倍，保持网状结构并避免二硫键导致的粘液凝胶溶解。这种转化似乎取决于宿主而不是细菌，因为无菌（GF）小鼠也具有外粘液层。但是细菌也可能对此有所贡献。
此外，与内部粘液层相比，外部粘液层是未附着的（也称为疏松粘液），因此易于吸液，易溶于离液盐氯化胍盐中，并且边界不太清楚。此外，它具有较大的孔，因此可被直径达0.5 μm的细菌或珠子穿透，是共生细菌的栖息地。
同小肠一样，结肠中的粘液因其位置而异。
一项最新的啮齿动物研究表明，近端结肠和远端结肠之间的粘液组织存在差异。事实上，已经证明粘液附在粪便颗粒上，而远端结肠的上皮表面没有粘液。
此外，粘液的厚度也是可变的，不仅取决于结肠段，还取决于所考虑的动物种类(图3)，并且根据分泌物和降解速率之间的平衡而不同。据估计，外粘液层的厚度是内粘液层的两倍，并且内粘液层的厚度似乎随着时间的推移而保持恒定。
在人类结肠中，根据手术切除的标本，黏液的黏附厚度被测量出来，然而，正如已经在小肠中指出的，在动物模型和人类模型中，对大肠黏液层厚度进行适当的研究有很大的局限性。
作为本部分的总结，重要的是要强调，所描述的大多数观察结果都是在动物模型或通过使用体外人体细胞获得的，这进一步引发了一个逻辑问题，这是在体内实际发生的吗？因此，很难将这些数据用于所有人。最后，有人提出，当饮食中缺乏特定的饮食纤维时，降解黏液的细菌比例会增加，这意味着在缺乏这些膳食成分的情况下，黏液可能会成为肠道菌群的能源。
虽然这已经非常复杂，但我们不能排除影响肠粘液的其他重要粘蛋白、成分和过程仍有待发现。
肠粘液层的周转包括粘液的合成，分泌和降解，这是一个微妙的过程，需要进行调节和平衡，以确保粘液保持最佳的保护功能。
它在大肠和小肠之间是不同的，实际上，在上肠道中，隐窝的杯状细胞中的Muc2粘蛋白的周转比结肠中的绒毛更慢，在结肠中，表面杯状细胞不断分泌内部粘液层，结肠隐窝上部的杯状细胞会在压力刺激下分泌粘液。
在活的小鼠远端结肠组织中，每1—2小时更新一次内粘液层。此外，据估计，人的自发粘液生长约为240μm/小时，小鼠的自发粘液生长约为100μm/小时。
粘液的降解通常是由于蠕动的机械剪切力造成的物理破坏和微生物酶的酶促裂解而导致的，然后粘液随肠内容物向直肠运输，最后随粪便排出。在结肠中，允许细菌将外部粘液层中MUC2转化降解成粘蛋白聚糖。
肠粘液层保护肠道免受机械，化学和生物攻击，并起着维持肠内稳态的主要作用，它在肠道细胞上形成一层保护层，保护它们免受外部有毒物质、消化酶和细菌的侵袭。粘液的重要保护功能从其持续分泌到胃肠道中表现出来:每天约10升。
粘蛋白聚糖结合水的能力赋予粘液保湿和润滑性，保护上皮细胞在管腔内容物蠕动力通过期间免受脱水和机械应力。
此外，粘液还起到表面清洁剂的作用，通过结合、收集和肠道流动将碎屑和细菌冲走。肠粘液层还形成了扩散屏障，其中离子，水，养分和气体等小分子可以很容易地通过其扩散并到达肠上皮细胞。粘液的保护功能也归因于其与免疫系统的协同作用。
的确，粘液是先天性粘膜肠屏障的一部分，它参与减少抗原暴露和细菌进入肠细胞底层免疫系统的过程，因此是针对可能有害化合物的免疫防御的第一线。粘液层还具有直接的免疫学作用，因为它们的聚糖能够通过免疫球蛋白上的凝集素样蛋白直接结合到免疫细胞上。
此外，MUC2粘蛋白增强了肠道的稳态和口服耐受性，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的炎症反应。
粘液层在与肠道菌群的相互作用中起重要作用，提供营养和附着部位。
小肠和大肠的粘液保护功能不同。首先，粘液会形成大孔，使细菌和其他成分易于穿透，但尽管如此，在正常情况下，细菌与上皮之间的接触是有限的。
实际上，粘液的连续基础分泌流向管腔，并与抗菌剂（例如，溶菌酶DMBT1，IgA，防御素，REG3γ和磷脂酶A2-IIA）协同作用，使细菌远离上皮表面。
这些抗菌剂由隐窝底部的Paneth细胞和肠上皮细胞分泌，与分泌的黏液混合，并在粘液中保留并扩散，避免它们快速稀释流入肠腔。
此外，它们扩散缓慢，形成一个抗菌扩散梯度，其浓度从上皮细胞到肠腔逐渐下降。相反，在结肠中，内部粘液层实际上是抵御细菌的第一道防线，形成一个尺寸排阻过滤器，将细菌与上皮细胞和免疫系统分开。这种分离已在人体活检标本中得到证实。
肠道菌群在肠道中的分布呈梯度变化。实际上，肠菌密度从肠腔近端到远端增加，每克肠内容物中微生物数量如下：十二指肠103个，空肠104个，回肠107个和结肠1012个。
从上皮细胞到管腔微生物的密度增加，在管腔中发现的细菌数量最多，事实上，很少有细菌适合粘附和驻留在粘液层中而不是管腔中。除了这种重要的粘附功能，肠道菌群对调节肠粘液层有重要作用。最初证据来自GF小鼠中。
例如，已证明肠道微生物群是形成适当的粘液层的基础，并且GF小鼠的粘液与常规饲养（Convr）小鼠的粘液不同。首先，在GF小鼠中，填充的杯状细胞数量较少，小肠内粘液被锚定在杯状细胞上，通过实验无法将其吸出。
如前所述，要从小肠释放粘液，需要meprinβ酶的作用，这需要激活肠道菌群，且粘液分离是维持小肠内环境稳定的重要步骤。此外，与Convr小鼠相比，GF小鼠结肠中的内粘液层更薄且可穿透细菌。
在这两组小鼠之间，甚至糖基化也不同，具有最丰富的2-三糖核心和2个单唾液酸化2核心异构体是最显著的GF粘液差异。
此外，考虑到脂多糖（LPS）和肽聚糖能刺激GF小鼠的粘液分泌并恢复粘液特性，与常规饲养的动物相似，细菌产物也可能参与这些过程。
总之，这些研究观察到的小肠和大肠中的保护性粘液依赖于细菌或其组分和代谢物的存在而成熟和发展其适当的结构的。
尽管这些数据很有趣，但仍有许多问题尚待解答。例如，肠道菌群和相关化合物以哪种精确方式有助于形成适当的粘液层？meprinβ激活是独特的机制，还是我们还需要发现其他潜在的机制？
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对这些影响负责？
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。
已在一项研究中证明肠道微生物群组成在影响肠道粘液中起关键作用，该研究比较了两个具有基因但不同房间培养的小鼠群。
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的小鼠肠道微生物群组成不同，因此肠道粘液特性也有一些差异。
尤其是，研究人员发现，一个菌落的结肠粘液层可被细菌或具有细菌大小的珠子穿透，而另一菌落则相反。将盲肠菌群移植到GF小鼠后，黏液特性才得以传播，证明了差异可能归因于肠道菌群的组成。
在这一阶段，研究表明有些细菌（如Erysipelotrichi类，异特异菌）具有更好诱导非穿透的内粘液层的能力，而其他门（即Proteobacteria和TM7）则相反。
经过这一重要观察，关键问题之一可能是肠道菌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方式。确实，特定细菌的存在和数量形成了黏液的糖基轮廓，并与许多糖基转移酶直接相关，而在肠道菌群的存在下，糖基转移酶的水平会增加。
例如，已经观察到一些细菌能够诱导宿主岩藻糖基转移酶的表达，后者在α—1,2位置添加L-岩藻糖和唾液酸转移酶。此外，宿主细菌群落能够同时影响MUC2糖基化和跨膜粘蛋白的糖基化。
正如在人体和小鼠中所观察到的那样，肠道微生物群的组成从粘膜到腔/粪便侧会发生变化。众所周知，腔和黏膜相关的微生物群是不同的生态系统，具有不同的微生物多样性和组成，以及代谢和免疫功能。
在人体和小鼠中都显示出许多因素影响肠道内细菌的分布。其中，饮食，氧气浓度，黏液，抗微生物剂，微生物的依从性和宿主免疫系统可能是最重要的。
特别是肠道中的氧气和营养物质分布都能够影响肠道微生物的组成。粪便和粘膜上附着的微生物群，表明氧气可以促进或阻碍上皮表面附近某些微生物的生长。
肠粘液层代表了肠道菌群的自然和生物选择性栖息地，由于粘蛋白聚糖的存在，特定的微生物（称为粘液相关微生物）可以在其中生存，而粘蛋白聚糖可作为细菌的附着位点，促进其定殖。
肠道菌群领域主要的警告之一是，与粪便肠道菌群相比，粘膜菌群的确切组成仍然缺乏研究。但是，一些研究表明，在人和啮齿类动物中，Fimicutes菌通常在粘液层中的含量要高于Bacteroidetes菌。
也有人认为，Lachnospiraceaceae，Ruminococcaceae，双歧双歧杆菌，长双歧杆菌和门静脉微细菌（以粘液专家Akkermansia muciniphila代表）在粘膜侧富集。
特别在人类中，观察到了乳杆菌科，肠杆菌科，拟杆菌，直肠真杆菌，普拉氏费氏杆菌，圆柱状杆菌，溶组织梭状芽胞杆菌，枯萎梭状芽胞杆菌和粘液曲霉的存在，而在小鼠中则观察到了SFB，乳杆菌属和粘菌素类芽孢杆菌。
但是，在结肠外层或内层中存在的肠道菌群的组成也存在特定差异。这表明结肠外粘液层被降解粘蛋白的细菌定殖，例如细菌酸杆菌（Bacteroides acidifaciens）（在小鼠中），脆弱细菌杆菌（Bacteroides fragilis），双歧杆菌科和黏液曲霉（A. muciniphila）（在小鼠和人类中）。
尽管存在健康个体中结肠内粘液层没有细菌的假设，但正如在健康小鼠和人类中观察到的那样，某些细菌仍能够穿透粘液并与结肠隐窝结合。
研究表明，能够与结肠隐窝相关的菌落由不动杆菌属占主导地位，通常富含变形杆菌。此外，最近在小鼠和人类中的研究表明，粪便和内部黏液细菌组成之间存在着巨大差异。
与粪便样品相比，内部粘液层的特征是包含20％—60％的变形杆菌，拟杆菌的菌落减少了以及较高的物种（α）-多样性。最后，人们认为这种与粘膜相关的细菌促进粘液分泌，并最终增加粘液层厚度。
影响粘液层中特定细菌存在的一些因素取决于前者的化学性质。确实，已经观察到粘蛋白糖基化分布能够影响粘液相关细菌的组成，选择特定物种，并且粘蛋白O型聚糖促进宿主微生物的稳态。
分泌的和跨膜的粘蛋白都提供相互作用和附着位点。微生物的黏液结合能力决定了其在黏液中的定殖能力，因此增加定殖时间很重要。考虑到每种菌种都有一个核心微生物群，不同物种之间的聚糖谱有所不同，这表明只有特定的细菌粘附素才允许在特定宿主内部适应。
实际上，细菌粘附会影响肠道微生物群的组成，例如在小肠中，Helicobacter spp和SFB能够粘附并定殖在上皮表面，附着在宿主聚糖上。
细菌可以通过外膜蛋白、凝集素、粘附素、囊和附属物如菌毛、鞭毛和菌毛与粘液和上皮表面多糖相互作用并粘附。
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，这些微生物称为粘液细菌，有利于它们的繁殖。
细菌能够通过其糖苷酶（也称为聚糖降解酶）消化聚糖。通常是外切糖苷酶类型，每次去除一个糖残基。
研究表明最多40％的细菌基因组编码这些酶。但是，释放出来的聚糖残基可以被消化它们的细菌或肠道菌群的其他成员使用。并非所有细菌都具有去除粘蛋白聚糖所需的所有酶，但有少数几种可以被认为是粘液溶解专家（例如，黏液曲霉）。
此外，考虑到不同宿主之间的聚糖谱存在差异，仅特定的微生物物种具有能够在特定宿主中复制的酶库，这进一步证实宿主选择微生物群的能力。降解聚糖的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时，粘蛋白的蛋白核心被降解，整个粘蛋白聚合物网络将被降解，最终被溶解。
此过程有助于MUC2粘蛋白和粘液降解。在粘蛋白降解所需的特定酶中，有糖苷水解酶（例如唾液酸酶，岩藻糖苷酶，外切-β-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶，内切-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-乙酰基半乳糖苷酶），硫酸酯酶和蛋白酶。这些酶以聚糖为能源，会在发酵过程中生成短链脂肪酸（乙酸和丁酸），短链脂肪酸随后被结肠细胞吸收并用于回收合成和分泌MUC2粘蛋白所花费的部分能量，进一步证实了宿主与肠道菌群之间的互惠关系。在降解粘蛋白的细菌中，大部分是粘液曲霉，拟杆菌，双歧杆菌，双歧杆菌，脆弱拟杆菌，gnavus and Ruminococcus和Ruminococcus torques。
考虑到粘液降解细菌是肠道微生物群的主要能量来源，当饮食中缺乏纤维多糖时，粘液降解细菌的比例增加。的确，某些细菌能够根据可用的营养素类型来调整其营养偏好，从粘蛋白聚糖到膳食碳水化合物。
例如，人体结肠厌氧菌的主要能源是由可发酵的碳水化合物为代表，包括在饮食中微生物可获取的碳水化合物（MACs），意指未被宿主酶消化但能被微生物作为能源。
因此，MACs可能来自多种饮食来源，包括不可消化的食用植物成分，也包括食源性微生物，但是必须由微生物群代谢。值得注意的是，人体消耗的纤维素不会被肠道微生物代谢，是不合格的“MACs”。
在食物限制或饮食中缺乏MACs的情况下，这些细菌变得依赖以黏蛋白为代表的宿主来源的内源性MACs聚糖。B. thetaiotaomicron是一个例子，它能根据养分的可利用性改变其碳水化合物捕获活性以容纳多糖的能力。
然而，这与粘蛋白降解细菌a . muciniphila相反，这种细菌在高脂肪食物和缺乏纤维的食物中含量较少。此外，考虑到粘液降解是维持保护屏障的一个因素，一些降解粘液的细菌（如粘蛋白原杆菌）在健康受试者中增加，并与黏液厚度恢复有关，问题是“为什么某些降解黏液的细菌有益于黏液维持，而另一些细菌却有害？”。
我们很可能还需要发现其他隐藏的机制。最后，细菌不仅可以利用聚糖作为能源，还可以利用其形成新的聚合物作为细胞外壳。这样，这些细菌可以改变其外壳成分，从而避免免疫系统的袭击。
共生菌和致病细菌都可以降解并利用粘蛋白聚糖作为能源和附着位点，促进它们的复制和定殖，但致病细菌能够引起感染。
在正常情况下，有一些机制可以避免病原体入侵和感染。例如，肠上皮细胞可以通过存在来自微生物的特定分子模式（例如模式识别受体）来区分共生和致病菌群，这些特定分子模式能够激活响应病原体入侵而导致炎症的特定途径。
此外，有益细菌还可以通过增加粘液的产生并占据粘蛋白上可用的结合位点来防止病原体入侵，从而阻止病原体的粘附。另一个保护机制是由于粘度和鞭毛蛋白的免疫原性而导致的粘液运动受限。
然而，在某些情况下，病原菌可以降解并穿透保护性粘液层，然后粘附并定植于肠道上皮细胞，从而引起感染。要定植并感染肠道上皮，病原菌需要降解粘液层并渗入其中。
这是可能的，因为存在粘蛋白降解蛋白酶，趋化性和鞭毛的存在，使细菌得以在粘液内部移动，与通常将它们推向管腔的粘液流相反，并粘附粘蛋白多糖。病原菌也可能改变粘液的pH值，影响粘液的粘度。
例如，有人表明幽门螺杆菌会增加pH值，降低粘液的粘弹性并增加其运动性。一些病原细菌也能够利用由共生细菌降解粘蛋白而释放的产物，如游离岩藻糖和唾液酸，以支持它们在粘液中的增殖。最后，通过影响粘蛋白的表达，合成和分泌，改变粘液保护性屏障功能，使肠上皮浸润。
在下一章中将更好地解释病原体如何改变粘液层并感染肠。
尽管有基础和连续分泌水平，肠粘液层不是静止的。本文中讨论的过程数目众多，且受许多因素影响。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节。
例如，转录因子能够结合MUC2启动子上的特定位点。许多信号通路已被描述为专门针对MUC2的转录调控。它们可以与特定的细菌或微生物产物[例如LPS，鞭毛蛋白，脂蛋白酸（LPA），脂肽]连接，并且主要通过激活核因子（NF）-κB来发挥作用，核因子-κB已被证明在MUC2的启动子中具有结合位点。
同样，一些炎症标志物[例如肿瘤坏死因子-α，血清淀粉样蛋白A3和白介素（IL）]也能激活NF-κB途径并刺激MUC2的转录（图4），而Janus激酶的激活具有抑制作用。其他途径如环磷酸腺苷（cAMP）反应元件结合蛋白和ATF1被丝裂原激活的蛋白激酶和p38激活，并被描述为调节MUC2的表达（图4）。
一些白细胞介素（例如IL-1β，IL-4，IL-13和L-22）参与了杯状细胞分化和粘蛋白表达的调控。类似但也非常复杂的其他途径已被证明由不同的激素、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)激活，并最终调节MUC2的表达(综述14 59 60)(图4)。
最后，通过调查不同类型的结肠癌，研究表明表观遗传机制，例如MUC2特定区域中CpG岛的甲基化，DNA甲基化或组蛋白修饰，还有微小RNA有助于MUC2表达的复杂调控。
图4 调节粘液表达和分泌的主要效应子。主要效应子（即肠道细菌，细胞因子和炎性标志物，激素，神经递质和生物活性脂质），它们作用于特定的外部（细胞外）和内部（细胞内信号转导）信号通路，影响表达（即基因表达和合成）和分泌CREB，cAMP-反应元件（CRE）结合蛋白；DCA，脱氧胆酸；EGF，表皮生长因子；FXR，法尼醇受体X；IL，白介素；JAK，Janus激酶；CRU-JAMP；JAC，Janus激酶JNK，c- Jun- N-末端激酶；LP，脂肽; LPA，脂多糖酸；LPS，脂多糖；MAPK，丝裂原活化的蛋白激酶；SAA，血清淀粉样蛋白A；STAT，信号转导和转录激活剂；TGF-α ；转化生长因子α；TLR，前列腺素E2（PGE2）Toll样受体；TNF，肿瘤坏死因子；VIP，血管活性肠肽。
因此，鉴于粘蛋白的表达、合成、分泌、降解、糖基化和结构，以及粘液的组成、粘度、厚度和渗透性可以根据宿主因素（图4）和外部因素（例如病原体、前/益生菌、饮食、食品添加剂或污染物和抗生素）而改变 ，这意味着对粘液屏障的调节是一个非常复杂的系统，所有上述因素都可以对粘液层产生积极或消极的影响。
显然，了解如何调节粘液层至关重要。
粘液层损伤是指可能发生的以下某些变化的情况：粘液合成，分泌，厚度和粘度降低，粘液降解和渗透性增加以及粘蛋白糖基化特性和粘液组成发生变化。因此，如许多疾病中所述，允许共生和病原微生物到达内膜上皮，从而导致感染和炎症。
粘液保护屏障的改变在IBD病的发病中起着关键作用，如克罗恩病和溃疡性结肠炎。
例如，已观察到在缺乏MUC2粘蛋白的小鼠中，结肠直接被与上皮接触的细菌侵袭，并向下渗透到隐窝和上皮细胞中。这种细菌的入侵诱导了结肠免疫系统的反应，其特点是发炎，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。
另一个例子是粘蛋白O-糖基化分布的改变。有人提出粘蛋白O-糖基化会影响粘液的性质和渗透性以及相关微生物的组成，因此对肠道粘液的功能至关重要。此外，已观察到在IBD和结肠直肠癌中，粘蛋白O-糖基化分布改变。
在缺乏核心1糖基转移酶的小鼠中，MUC2粘蛋白的O-聚糖较短，并且降解较快，这些小鼠发展为严重的结肠炎。另一项研究表明，除了结肠发炎的受试者之外，所有人在乙状结肠中都具有一致水平的MUC2 O-聚糖。所有这些研究都表明，宿主糖基化分布的改变与多种疾病有联系。
在IBD期间，黏液降解细菌增加，例如来自Ruminococcus家族的细菌，并在溃疡性结肠炎期间，由于MUC2的产生和分泌减少，结肠黏液变成更薄的一层。
在活动性炎症患者中，MUC2的O型糖基化改变和对细菌的穿透性增强。患者缓解后，MUC2的糖基化恢复正常。
最后，在CD期间，粘液黏膜层更厚，表明MUC2表达增加和杯状细胞增生，但由于寡糖链长减少了50％，因此MUC2的结构发生了改变，导致粘液粘弹性的丧失，同时丧失其保护功能。
在引起粘液层改变的原因中，我们接下来关注病理微生物和一些与营养有关的因素，例如高脂饮食或西方饮食，低纤维饮食和食品添加剂（乳化剂）。
图5 通过特定的微生物和微生物代谢产物调节粘液。概述不同微生物物种，寄生虫和短链脂肪酸（SCFA）对粘液特性，组成或功能的影响。
病理微生物
病原微生物能够通过多种方式改变肠粘液层。其中之一是它们降解粘蛋白的能力，例如小肠中的霍乱弧菌和原生动物蓝氏贾第鞭毛虫以及大肠中的大肠杆菌、原生动物溶组织内阿米巴或线虫产生的蛋白酶(图5)。
通过粘液降解，粘液的厚度减小，渗透性增加。这也允许通常在理论上不能裂解粘液的微生物感染。此外，一些物种(如单核细胞增生李斯特菌、溶组织埃希氏菌、巴西尼普斯特龙氏菌和螺旋毛滴虫)抑制粘液产生，并直接或间接调节杯状细胞功能和粘蛋白表达(图5)。
肠道对感染的第一反应是杯状细胞和粘液合成和分泌的数量增加，目的是清除微生物，但是在慢性感染期间，粘液高分泌诱导杯状细胞的耗竭，伴随着粘液合成和分泌的减少以及内质网应激降低，最终导致炎症。
饮食
在与粘液层破坏有关的因素中，饮食组成具有重要作用。例如，在高脂饮食喂养期间，屏障破坏物种富集，小鼠回肠肠细胞中Ctfr基因表达降低，导致粘液粘度和密度降低，肠渗透性增加。
此外，粘液层在代谢紊乱（如肥胖症和2型糖尿病）的发展和存在过程中发生改变。
同样，西式饮食（WSD）[包含40.5％千卡的脂肪（41％饱和，52％单不饱和），40.5％的碳水化合物（蔗糖18％，玉米淀粉16.0％，麦芽糊精12.0％，纤维素4.0％（w / v）]导致肠道菌群组成发生变化，SCFA产生减少，这些都与结肠内粘液层受损相关，包括厚度减少和粘液可渗透性增加（已在WSD 3天后出现）。
此外，在以西方生活方式为特征的地区，UC的发病率增加，这进一步表明饮食，粘液屏障功能和IBD的相关性。这些饮食的影响可以用某些饮食纤维不足来解释，考虑到在缺乏纤维（或膳食MAC）的饮食下也能看到相同的结果，这与结肠炎和病原体感染的发生率增加有关，而经常食用膳食纤维（实验膳食含最低限度约15％的加工谷物和植物膳食纤维）具有预防作用，这表明纤维在促进保护性粘液屏障的形成中起着至关重要的作用。
近年来，一些食品添加剂（例如乳化剂）在食品中的含量非常低（约2％），但会导致肠道微生物群组成变化，并伴随粘液层受损。特别是这些改变与粘液层厚度的减少和肠道渗透性的增加有关，从而引起保护性粘液屏障的侵蚀并增加了细菌对上皮的粘附。更重要的是，所有这些影响与肠道炎症和代谢改变有关。
在有助于预防，改善和维持粘液保护层的治疗方法和因素中，我们将简要介绍以下内容：益生菌，下一代有益细菌以及微生物产品和成分。
益生菌是一种活的生物体，只要给予适量即可为宿主带来健康益处。它们可能会影响粘液屏障，
例如有助于增加粘蛋白基因的表达，如粘附的乳杆菌属，其能够刺激人肠上皮细胞中MUC3的表达和MUC2的产生和分泌。
其他如长双歧杆菌（Bifidobacteriumium longum），当喂饲小鼠WSD 4周后补充长双歧杆菌，粘液的生长得以恢复。罗伊氏乳杆菌（Lactobacillus reuteri）对小鼠的葡聚糖硫酸钠处理具有保护作用，增加了粘液层的厚度（图5）。
最后，另一种改变粘液层的关键细菌是黏液曲霉。在高脂饮食喂养期间，小鼠的内粘液层比对照组薄，而在用高脂饮食基础上加上黏液曲霉补充剂治疗的小鼠中，观察到相反的效果（即恢复粘液层厚度）（图5）。
有趣的是，尽管这种细菌被称为粘液降解剂，但补充嗜A.muciniphila会增加杯状细胞的数量并产生诸如Reg3g和LyZ1之类的抗菌肽。总而言之，这些发现表明黏液曲霉与宿主细胞交流，并最终刺激黏液的产生（图5）。
值得注意的是，这种对杯状细胞数量和肠道屏障强化的重要作用当通过巴氏灭菌法杀死粘液曲霉而不是通过高压灭菌法杀死粘液曲霉时，也被观察到。
在潜在的机制中，已表明粘液曲霉在其外膜上表达特定蛋白，例如蛋白Amuc_1100。该蛋白质对加热过程具有一定抵抗力，并保持活性构象。
有趣的是，只用这种蛋白质而不用细菌处理的小鼠也复制了细菌对杯状细胞数量增加和肠壁屏障增强的作用。令人惊讶的是，这种蛋白质结合并激活了TLR2，可能解释了这种作用。细菌在调节免疫力和增强肠壁屏障方面都发挥着作用（图4）。
因此，暗示不需要仅通过细菌的生存力来观察有益效果。总的来说，这表明粘液曲霉对粘液层厚度的调节可能比该细菌对粘液聚糖的简单主动降解和利用要复杂得多，还涉及特定的微生物化合物。除了在啮齿动物中获得的数据外，肥胖和2型糖尿病受试者显示其黏液曲霉菌丰度较低。
在对患有代谢综合征的受试者进行的第一次概念验证试点人类干预中，我们最近证实粘蛋白原改善了代谢(即改善了胰岛素敏感性，降低了炎症)，同时降低了血浆LPS水平，从而加强了肠道屏障。
总而言之，这个特殊的例子表明肠道微生物群、粘液层/肠屏障和疾病相关的额外证据。
对被认为是粘液专家的粘菌素类杆菌及其组分的例子是显而易见的。但是，其他细菌不仅可以自身影响粘液，还可以通过特定的产品和成分（如SCFA，LPS，鞭毛蛋白和LPA）影响粘液（图4）。
研究发现粘膜相关细菌通过释放微生物相关分子模式（MAMPs）和产生SCFAs来促进粘液分泌并增加粘液层厚度。
研究还观察到SCFAs，例如作为乙酸盐和丁酸盐，可刺激肠道上皮细胞中MUC2的表达并增加粘液的产生和分泌（图5）。
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能够上调黏蛋白的表达，后者还可以增加杯状细胞的黏液分泌（图4）。
总之，在这篇综述中，我们涵盖了粘液屏障的不同方面，包括粘液的化学性质、产生、分泌和降解以及改变粘液层状态的各种因素。
尽管在许多研究中，黏液屏障仍是肠道屏障功能的一个被忽略的组成部分，接近粘液屏障的不同方法的研究越来越多，从对粘液厚度的简单研究到对其详细组成、周转和渗透性以及杯状细胞数量及其分化的调节的研究。
为了拥有更全面、更准确的视野，研究人员不应仅依靠表征粘液的一个因素（例如粘液的厚度）来考虑，例如，粘液的增加通常与粘液屏障的改善有关，但它也可以隐藏病原菌感染的开始。
此外，粘液层不仅是保护宿主免受微生物侵袭的重要因素，而且还有助于宿主与微生物之间的共生。许多疾病与粘液层厚度的变化有关，但是仍然难以确定这种作用是疾病的原因还是结果。
另外，最新的证据表明，特定的肠道微生物有助于调节粘液屏障，并最终改善肠道和宿主的健康（例如，黏液曲霉）。但是，要理解隐藏在这些黏糊糊的合作伙伴背后的复杂机制，仍有很多空白需要填补。