汤小朋,熊康宁

(1.贵州师范大学喀斯特研究院,中国贵州贵阳550001；2.贵州省喀斯特山地生态环境国家重点实验室培育基地,中国贵州贵阳550001)

肠道不仅是动物机体营养物质消化吸收的重要器官,还是动物机体抵御外界复杂环境,保持机体内环境稳定的重要屏障[1]。肠黏膜屏障主要由肠道黏液层、肠道上皮细胞、免疫细胞、肠腔内正常微生物及其代谢物构成,按照功能可分为化学屏障、机械屏障、免疫屏障和微生物屏障,各屏障之间的动态平衡是维持肠道内环境稳态的关键[2～3]。黏液层是保护肠道上皮细胞免受病原微生物侵害的第一道防线,主要由黏液、消化液、肠腔内正常微生物及其代谢产物组成,可有效阻止病原微生物的定植,对维持肠道内环境的动态平衡具有重要作用[4]。黏蛋白(mucins,MUCs)是构成肠黏膜黏液层的主要成分,不仅可润滑肠道和拮抗致病菌[2,5],还可参与细胞间信号转导和肠黏膜相关免疫因子的调控[3]。因此,黏蛋白的正常分泌对维持动物肠道健康具有重要意义。表皮生长因子(epidermal growth factor,EGF)是一种含有53个氨基酸残基的小分子肽,可通过刺激肠道杯状细胞的增殖促进黏蛋白的分泌,从而维持肠道黏液的更新,对动物肠道健康具有重要作用[1,6]。本文就EGF对肠道黏蛋白分泌的影响及作用机制进行综述,为EGF在动物肠道健康调节中的作用研究提供参考。

1 黏蛋白的结构和功能

肠道黏液层是肠道的第一道屏障,对多数细菌和病原体具有阻碍作用,同时也是机体与外部环境交换营养物质、水、气体等物质的重要场所[7]。黏蛋白是黏液层的主要组成成分,是广泛存在于机体各组织和器官中的相对分子质量较高的糖蛋白[8]。黏蛋白的关键成分是一种富含脯氨酸、苏氨酸和丝氨酸序列的“PTS”结构域,当“PTS”结构域与多聚糖结合后形成黏蛋白结构域,通过O-寡聚糖链与水结合,赋予黏液凝胶的特性[9～10]。根据结构和定位的不同,黏蛋白可分为膜结合型黏蛋白和形成凝胶的分泌型黏蛋白两大类(表1)[11～23]。分泌型黏蛋白主要包括MUC2、MUC5AC、MUC5B和MUC6等[2～3,9,24],其中MUC2是肠道黏液层的主要成分,参与肠道润滑,同时作为肠黏膜屏障的第一道防线,促进有益菌的定植,阻止病原微生物的黏附,维持肠道内环境的动态平衡[9]。膜结合型黏蛋白除了含有黏蛋白结构域外,还含有特殊的跨膜结构域,如SEA结构域和vWD结构域,这使其能够固定在细胞膜上[10]。膜结合型黏蛋白主要 包 括 MUC1、MUC3、MUC4、MUC12、MUC13、MUC15、MUC16、MUC17 和 MUC20,参与细胞的信号传导、黏附、生长及免疫调节[2～3,9,25]。

黏蛋白的正常分泌与表达对肠道屏障功能的维持十分重要。黏蛋白是肠道黏膜黏液的主要成分,是构成化学屏障的重要骨架；由黏蛋白构成的黏液层覆盖在肠上皮细胞上,对肠黏膜紧密连接结构的完整性具有保护作用；黏蛋白可为分泌型免疫球蛋白A(secretory immunoglobulin A,sIgA)和抗菌肽提供结合位点,促进肠黏膜免疫屏障功能的发挥；同时,黏蛋白还可为肠道内有益菌提供黏附位点,抑制有害微生物的繁殖,这对肠黏膜微生物屏障功能的维持具有重要作用[3,26～29]。在病理情况下,动物肠道黏蛋白表达下降,使肠黏膜黏液层变薄,此时,病原微生物可轻易穿过黏液层,从而破坏肠道化学屏障功能[26]。入侵的病原微生物与肠黏膜表面的正常微生物群竞争性结合黏附位点,破坏正常的微生物屏障,引起有害菌大量繁殖,从而诱发肠道疾病[27]。沙门氏菌、志贺杆菌等病原微生物入侵后,一方面可通过诱导肠上皮细胞凋亡,破坏肠黏膜机械屏障；另一方面还可通过降低细胞间紧密连接蛋白的表达来破坏肠黏膜机械屏障[3,28]。此外,黏蛋白分泌和表达的改变,会引发炎症,破坏肠黏膜免疫屏障[29]。

2 EGF与黏蛋白

2.1 EGF概述

EGF属于促生长因子家族成员,最早由Co hen在1962年从小鼠下颌腺中发现[30]。成熟的EGF分子含有53个氨基酸残基,包括6个半胱氨酸残基,不含丙氨酸、苯丙氨酸和赖氨酸残基,在第6、20位,14、31位,33、42位之间形成 3个二硫键结构,其活性中心位于第48～53个氨基酸残基之间,特殊的结构使EGF对热和酸具有较强的耐受性[1,6,31]。EGF来源广泛,在乳腺、颌下腺、肾脏、十二指肠和胎盘中均有表达,目前已在乳液、唾液、尿液、肠液、血液和羊水等体液中检测到EGF的存在[31]。随着基因工程技术的发展,利用微生物表达系统可大量生产外源EGF,为EGF在医学、饲料工业中的应用奠定了基础[32～33]。EGF生物学功能的发挥与其受体——表皮生长因子受体(EGF receptor,EGFR)有关。EGFR是一种广泛存在于小肠刷状缘顶端及基底侧的跨膜糖蛋白。EGF与EGFR结合后形成二聚体,通过自我磷酸化激活一系列信号通路,从而发挥调控营养物质转运[34～35]、细胞增殖与分化[36]、伤口愈合[37]、肠道发育与修复[33,38]等生物学功能。

2.2 EGF对肠道黏蛋白分泌的影响及调控机制

EGF是一种有效的肠黏膜调节剂,对肠道机械(物理)屏障、化学屏障、免疫屏障与微生物屏障功都具有良好的调节作用[39-42](图1)。EGF对肠道化学屏障的调节作用主要是通过调节消化酶及黏蛋白的分泌来实现的[40,43～44]。黏蛋白是肠道黏液的主要成分,而MUC2是肠道中主要的分泌型黏蛋白,主要由肠道杯状细胞分泌产生[10]。杯状细胞由肠黏膜基底干细胞分化而来,是专门用于合成和分泌黏液的细胞,因充满细胞质的黏蛋白颗粒形成的杯状外观而得名[26]。Clark等[45]研究表明,给NEC大鼠灌服EGF后,其回肠中杯状细胞密度增加,MUC2的分泌增多。Bedford等[40]研究表明断奶仔猪采食EGF后,空肠中杯状细胞的数量显著增多,MUC2的基因表达上升,提示EGF可通过刺激肠道杯状细胞的增殖促进MUC2的表达。另有研究报道,细胞因子白细胞介素13(interleukin-13,IL-13)可通过STAT6信号通路刺激杯状细胞的增殖,从而促进MUC2分泌[46]；角质细胞生长因子(keratinocyte growth factor,KGF)可诱导胃肠道上皮细胞分化为杯状细胞[1,47]；而EGF可促进肠道IL-13和KGF的表达[40],以上信息说明EGF通过促进肠道IL-13和KGF的表达,刺激肠道杯状细胞的增殖,从而促进MUC2的分泌。

表1 黏蛋白表达的细胞类型及主要部位Table 1 Cell types and major sites of mucin expression

MUC5AC也是一种分泌型黏蛋白,主要在胃中由黏液细胞分泌,在肠道中表达较少。Damiano等[43]在人CaCo2细胞系中的研究表明,EGF通过激活ERK1/2-PKC信号通路促进MUC5AC的分泌。但其在其他动物肠道或肠道细胞系中的分泌研究还鲜见报道。MUC3是膜结合型黏蛋白,主要在小肠和结肠中表达[17]。有研究表明EGF可促进人CaCo2细胞系中MUC3的表达；EGF调节MUC3的表达与细胞双重氧化酶2(dual oxidases 2,DUOX2)相关[42]。DUOX2是膜NADPH氧化酶家族中一个独特的亚家族,可催化生成胞外过氧化氢,在甲状腺激素的合成中必不可少[48]。Damiano等[43]在人CaCo2细胞系中的研究表明,EGF通过激活ERK1/2-PKC信号通路,调节DUOX2的分泌,促进细胞活性氧(reactive oxygen species,ROS)的产生,从而促进MUC3的分泌。

综上可知,EGF可促进肠道IL-13及KGF的表达,刺激肠道杯状细胞的增殖,进而促进MUC2的分泌；同时,EGF可通过激活ERK1/2-PKC信号通路,提高DUOX2分泌量,促进MUC3和MUC5AC的分泌。

3 小结与展望

EGF在肠黏膜屏障功能的维持与修复中发挥重要作用。化学屏障是肠道屏障功能中的重要一环,EGF通过调节黏蛋白的分泌,促进肠道黏液层的形成,发挥肠黏膜第一道防线作用。EGF对MUC2、MUC3和MUC5AC的表达具有促进作用,但相关机制研究尚不深入,如EGF通过何种信号途径调控MUC2的表达目前尚无报道；除了MUC2、MUC3和MUC5AC,EGF是否能促进肠道中其他黏蛋白的表达目前也鲜有报道。因此,EGF调控MUC2的分子机制及对其他黏蛋白的调控作用可成为今后研究的主要方向。

图1 EGF与肠道屏障的关系Fig.1 Relationship between EGF and intestinal barrier functions

黏蛋白对动物肠道机械屏障、微生物屏障及免疫屏障功能的发挥也具有重要作用（图1）。黏蛋白可保护肠黏膜紧密连接结构的完整性；可为分泌型IgA和抗菌肽提供结合位点,促进肠黏膜免疫屏障功能的发挥；可为肠道内有益菌提供黏附位点,抑制有害微生物的繁殖,维持肠黏膜微生物屏障功能。因此,研究EGF-MUCs-肠道屏障功能之间的复杂关系,对进一步理解EGF在肠道健康调节中的作用具有重要作用。肠炎性疾病是人和动物常见的肠道疾病。EGF对肠炎性疾病具有一定的预防和治疗作用,而黏蛋白也与肠炎性疾病的发生发展有关。EGF是否可通过调节黏蛋白的表达缓解肠炎性疾病？这也值得进一步研究。总之,EGF对黏蛋白的表达和分泌具有正调节作用,其具体机制的进一步探索对阐明EGF在动物肠道健康中的作用具有重要意义。