Science | 夏利军团队重新定义O-糖基化的结肠黏液屏障系统对肠道菌群的调控作用
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人类与其他哺乳动物结肠内栖息着与健康和疾病密切相关庞大而多样的肠道菌群，肠道菌群与宿主之间复杂的共生关系则需要结肠的黏液屏障调节与维持【1】。肠道黏液主要是由高度O-糖基化的黏蛋白构成的网状聚合结构【2】。黏蛋白型O-糖链对保持黏蛋白的稳定性，防止肠道菌群激活肠道免疫细胞导致炎症反应，癌变等具有至关重要的作用【2，3】。长期以来，一直公认的模型是结肠黏液主要由远端结肠中的杯状细胞产生，形成紧密粘附于肠道上皮上的黏液层将肠道菌群与宿主上皮细胞及免疫细胞屏蔽分开，并提供肠道菌群栖息的环境【4】。然而，人们对黏液屏障在整个结肠中的形成和其对肠道菌群的调控一直缺乏深入的认识。
2020年10月23日, 美国俄克拉荷马医学研究中心的夏利军教授团队(共一为Bergstrom和单鑫迪博士)在Science发表了题为Proximal colon-derived O-glycosylated mucus encapsulates and modulates the microbiota 的文章，重新定义了结肠黏液屏障系统及其功能，揭示近端结肠分泌的O-糖基化的黏液通过包裹肠道内容物包括肠道菌群，将肠道菌群与宿主细胞有效分隔开，为肠道菌群的繁育与代谢提供了一个闭合的生态系统。
首先，为了阐明黏液系统的形成，研究团队发明了一种利用共聚焦显微镜，双光子显微镜对整个结肠进行活体与离体的扫描成像系统，首次发现起主要屏障作用的内黏液层和供肠道菌群生长的外黏液层均来源于近端结肠杯状细胞。此外，近端结肠杯状细胞来源的黏液系统包裹肠道内容物，使之与宿主细胞有效分隔开，直至排出体外，从而为肠道菌群在结肠中的繁育提供了一个闭合的生态系统。据此结果，本研究将结肠黏液系统重新定义为由近端结肠衍生的供菌群生长的“niche”层和起主要屏障作用的“b1”层，以及由远端结肠衍生的起次要屏障作用的“b2”层组成的生物系统 (图1)。
图1 近端结肠分泌的黏液包裹粪便及肠道菌群
其次，采用基因敲除技术，该研究创建了在结肠不同区段缺失O-糖链的各种小鼠模型，结合利用无菌小鼠模型和荧光报告细菌。综合分析显示近端结肠复合O-糖链对于黏液对肠道菌群的包裹以及阻止其与宿主上皮细胞接触发挥重要作用。此外研究发现肠道菌群是刺激与调节近端结肠杯状细胞产生和分泌O-糖基化黏蛋白的主要因素。
最后，通过对不同小鼠模型的肠道菌群及结肠黏膜组织的宏基因组学分析，研究发现O-糖链的缺失可改变肠道菌群的组成结构，其中“益生菌”—Akk菌比例在O-糖链的缺失小鼠中显著降低，而条件致病菌B.theta菌群比例升高。同时，非靶向代谢组学研究分析表明近端结肠O-糖基化可明显影响菌群代谢产物的生成。进一步单细胞RNA测序技术揭示O-糖链的缺失导致宿主中与细胞周期和上皮稳态相关基因发生系统性的变化，尤其在与溃疡性结肠炎多发的远端结肠组织中发现了147个与肠道菌群和炎症相关的基因表达上调。综合分析表明近端结肠产生的O-糖基化粘蛋白对肠道菌群的结构与组成，其代谢产物的产生，及其对影响宿主的基因表达均起至关重要作用（图2）。
图2 近端结肠黏液O-糖链对肠道菌群及宿主的影响
总之，该研究重新定义了结肠黏液系统的组成与功能，为肠道菌群与宿主之间相互作用的探究提供了全新的视角（图3）【5】。
图3 肠道黏液系统的形成和功能
值得一提的是，在同期Science上，来自瑞典哥德堡大学的Malin E. V. Johansson发表了观点文章Forming a mucus barrier along the colon，对该研究进行了推介，提到夏利军教授团队的这项工作"expand our understanding of the colonic mucus system by showing that mucus from proximal colonic regions contributes extensively to forming the protective barrier in the distal colon. This work highlights the role of the colonic tissue as a whole in driving mucus barrier formation and indicates the potential for regionally targeted therapeutic interventions in intestinal disease".
原文链接：
https://science.sciencemag.org/content/370/6515/467
https://science.sciencemag.org/content/370/6515/402
参考文献
1. L. V. Blanton, et al. Childhood undernutrition, the gut microbiota, and microbiota-directed therapeutics. Science 352, 1533 (2016).
2. J. Fu et al. Loss of intestinal core 1-derived O-glycans causes spontaneous colitis in mice. J Clin Invest 121, 1657-1666 (2011).
3. K. Bergstrom et al. Defective Intestinal Mucin-Type O-Glycosylation Causes Spontaneous Colitis-Associated Cancer in Mice. Gastroenterology 151, 152-164 e111 (2016).
4. M. E. Johansson et al. The inner of the two Muc2 mucin-dependent mucus layers in colon is devoid of bacteria. Proc Natl Acad Sci U S A 105, 15064-15069 (2008).
5. Bergstrom K, et al. Proximal colon-derived O-glycosylated mucus encapsulates and modulates the microbiota. Science, in press, 2020.