表皮生長因子對動物腸道黏蛋白分泌的影響及其作用機(jī)制

湯小朋,熊康寧

(1.貴州師范大學(xué)喀斯特研究院,中國貴州貴陽550001；2.貴州省喀斯特山地生態(tài)環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地,中國貴州貴陽550001)

腸道不僅是動物機(jī)體營養(yǎng)物質(zhì)消化吸收的重要器官,還是動物機(jī)體抵御外界復(fù)雜環(huán)境,保持機(jī)體內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定的重要屏障[1]。腸黏膜屏障主要由腸道黏液層、腸道上皮細(xì)胞、免疫細(xì)胞、腸腔內(nèi)正常微生物及其代謝物構(gòu)成,按照功能可分為化學(xué)屏障、機(jī)械屏障、免疫屏障和微生物屏障,各屏障之間的動態(tài)平衡是維持腸道內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)的關(guān)鍵[2～3]。黏液層是保護(hù)腸道上皮細(xì)胞免受病原微生物侵害的第一道防線,主要由黏液、消化液、腸腔內(nèi)正常微生物及其代謝產(chǎn)物組成,可有效阻止病原微生物的定植,對維持腸道內(nèi)環(huán)境的動態(tài)平衡具有重要作用[4]。黏蛋白(mucins,MUCs)是構(gòu)成腸黏膜黏液層的主要成分,不僅可潤滑腸道和拮抗致病菌[2,5],還可參與細(xì)胞間信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和腸黏膜相關(guān)免疫因子的調(diào)控[3]。因此,黏蛋白的正常分泌對維持動物腸道健康具有重要意義。表皮生長因子(epidermal growth factor,EGF)是一種含有53個氨基酸殘基的小分子肽,可通過刺激腸道杯狀細(xì)胞的增殖促進(jìn)黏蛋白的分泌,從而維持腸道黏液的更新,對動物腸道健康具有重要作用[1,6]。本文就EGF對腸道黏蛋白分泌的影響及作用機(jī)制進(jìn)行綜述,為EGF在動物腸道健康調(diào)節(jié)中的作用研究提供參考。

1 黏蛋白的結(jié)構(gòu)和功能

腸道黏液層是腸道的第一道屏障,對多數(shù)細(xì)菌和病原體具有阻礙作用,同時也是機(jī)體與外部環(huán)境交換營養(yǎng)物質(zhì)、水、氣體等物質(zhì)的重要場所[7]。黏蛋白是黏液層的主要組成成分,是廣泛存在于機(jī)體各組織和器官中的相對分子質(zhì)量較高的糖蛋白[8]。黏蛋白的關(guān)鍵成分是一種富含脯氨酸、蘇氨酸和絲氨酸序列的“PTS”結(jié)構(gòu)域,當(dāng)“PTS”結(jié)構(gòu)域與多聚糖結(jié)合后形成黏蛋白結(jié)構(gòu)域,通過O-寡聚糖鏈與水結(jié)合,賦予黏液凝膠的特性[9～10]。根據(jù)結(jié)構(gòu)和定位的不同,黏蛋白可分為膜結(jié)合型黏蛋白和形成凝膠的分泌型黏蛋白兩大類(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是腸道黏液層的主要成分,參與腸道潤滑,同時作為腸黏膜屏障的第一道防線,促進(jìn)有益菌的定植,阻止病原微生物的黏附,維持腸道內(nèi)環(huán)境的動態(tài)平衡[9]。膜結(jié)合型黏蛋白除了含有黏蛋白結(jié)構(gòu)域外,還含有特殊的跨膜結(jié)構(gòu)域,如SEA結(jié)構(gòu)域和vWD結(jié)構(gòu)域,這使其能夠固定在細(xì)胞膜上[10]。膜結(jié)合型黏蛋白主要 包 括 MUC1、MUC3、MUC4、MUC12、MUC13、MUC15、MUC16、MUC17 和 MUC20,參與細(xì)胞的信號傳導(dǎo)、黏附、生長及免疫調(diào)節(jié)[2～3,9,25]。

黏蛋白的正常分泌與表達(dá)對腸道屏障功能的維持十分重要。黏蛋白是腸道黏膜黏液的主要成分,是構(gòu)成化學(xué)屏障的重要骨架；由黏蛋白構(gòu)成的黏液層覆蓋在腸上皮細(xì)胞上,對腸黏膜緊密連接結(jié)構(gòu)的完整性具有保護(hù)作用；黏蛋白可為分泌型免疫球蛋白A(secretory immunoglobulin A,sIgA)和抗菌肽提供結(jié)合位點(diǎn),促進(jìn)腸黏膜免疫屏障功能的發(fā)揮；同時,黏蛋白還可為腸道內(nèi)有益菌提供黏附位點(diǎn),抑制有害微生物的繁殖,這對腸黏膜微生物屏障功能的維持具有重要作用[3,26～29]。在病理情況下,動物腸道黏蛋白表達(dá)下降,使腸黏膜黏液層變薄,此時,病原微生物可輕易穿過黏液層,從而破壞腸道化學(xué)屏障功能[26]。入侵的病原微生物與腸黏膜表面的正常微生物群競爭性結(jié)合黏附位點(diǎn),破壞正常的微生物屏障,引起有害菌大量繁殖,從而誘發(fā)腸道疾病[27]。沙門氏菌、志賀桿菌等病原微生物入侵后,一方面可通過誘導(dǎo)腸上皮細(xì)胞凋亡,破壞腸黏膜機(jī)械屏障；另一方面還可通過降低細(xì)胞間緊密連接蛋白的表達(dá)來破壞腸黏膜機(jī)械屏障[3,28]。此外,黏蛋白分泌和表達(dá)的改變,會引發(fā)炎癥,破壞腸黏膜免疫屏障[29]。

2 EGF與黏蛋白

2.1 EGF概述

EGF屬于促生長因子家族成員,最早由Co hen在1962年從小鼠下頜腺中發(fā)現(xiàn)[30]。成熟的EGF分子含有53個氨基酸殘基,包括6個半胱氨酸殘基,不含丙氨酸、苯丙氨酸和賴氨酸殘基,在第6、20位,14、31位,33、42位之間形成 3個二硫鍵結(jié)構(gòu),其活性中心位于第48～53個氨基酸殘基之間,特殊的結(jié)構(gòu)使EGF對熱和酸具有較強(qiáng)的耐受性[1,6,31]。EGF來源廣泛,在乳腺、頜下腺、腎臟、十二指腸和胎盤中均有表達(dá),目前已在乳液、唾液、尿液、腸液、血液和羊水等體液中檢測到EGF的存在[31]。隨著基因工程技術(shù)的發(fā)展,利用微生物表達(dá)系統(tǒng)可大量生產(chǎn)外源EGF,為EGF在醫(yī)學(xué)、飼料工業(yè)中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)[32～33]。EGF生物學(xué)功能的發(fā)揮與其受體——表皮生長因子受體(EGF receptor,EGFR)有關(guān)。EGFR是一種廣泛存在于小腸刷狀緣頂端及基底側(cè)的跨膜糖蛋白。EGF與EGFR結(jié)合后形成二聚體,通過自我磷酸化激活一系列信號通路,從而發(fā)揮調(diào)控營養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)[34～35]、細(xì)胞增殖與分化[36]、傷口愈合[37]、腸道發(fā)育與修復(fù)[33,38]等生物學(xué)功能。

2.2 EGF對腸道黏蛋白分泌的影響及調(diào)控機(jī)制

EGF是一種有效的腸黏膜調(diào)節(jié)劑,對腸道機(jī)械(物理)屏障、化學(xué)屏障、免疫屏障與微生物屏障功都具有良好的調(diào)節(jié)作用[39-42](圖1)。EGF對腸道化學(xué)屏障的調(diào)節(jié)作用主要是通過調(diào)節(jié)消化酶及黏蛋白的分泌來實(shí)現(xiàn)的[40,43～44]。黏蛋白是腸道黏液的主要成分,而MUC2是腸道中主要的分泌型黏蛋白,主要由腸道杯狀細(xì)胞分泌產(chǎn)生[10]。杯狀細(xì)胞由腸黏膜基底干細(xì)胞分化而來,是專門用于合成和分泌黏液的細(xì)胞,因充滿細(xì)胞質(zhì)的黏蛋白顆粒形成的杯狀外觀而得名[26]。Clark等[45]研究表明,給NEC大鼠灌服EGF后,其回腸中杯狀細(xì)胞密度增加,MUC2的分泌增多。Bedford等[40]研究表明斷奶仔豬采食EGF后,空腸中杯狀細(xì)胞的數(shù)量顯著增多,MUC2的基因表達(dá)上升,提示EGF可通過刺激腸道杯狀細(xì)胞的增殖促進(jìn)MUC2的表達(dá)。另有研究報道,細(xì)胞因子白細(xì)胞介素13(interleukin-13,IL-13)可通過STAT6信號通路刺激杯狀細(xì)胞的增殖,從而促進(jìn)MUC2分泌[46]；角質(zhì)細(xì)胞生長因子(keratinocyte growth factor,KGF)可誘導(dǎo)胃腸道上皮細(xì)胞分化為杯狀細(xì)胞[1,47]；而EGF可促進(jìn)腸道IL-13和KGF的表達(dá)[40],以上信息說明EGF通過促進(jìn)腸道IL-13和KGF的表達(dá),刺激腸道杯狀細(xì)胞的增殖,從而促進(jìn)MUC2的分泌。

表1 黏蛋白表達(dá)的細(xì)胞類型及主要部位Table 1 Cell types and major sites of mucin expression

MUC5AC也是一種分泌型黏蛋白,主要在胃中由黏液細(xì)胞分泌,在腸道中表達(dá)較少。Damiano等[43]在人CaCo2細(xì)胞系中的研究表明,EGF通過激活ERK1/2-PKC信號通路促進(jìn)MUC5AC的分泌。但其在其他動物腸道或腸道細(xì)胞系中的分泌研究還鮮見報道。MUC3是膜結(jié)合型黏蛋白,主要在小腸和結(jié)腸中表達(dá)[17]。有研究表明EGF可促進(jìn)人CaCo2細(xì)胞系中MUC3的表達(dá)；EGF調(diào)節(jié)MUC3的表達(dá)與細(xì)胞雙重氧化酶2(dual oxidases 2,DUOX2)相關(guān)[42]。DUOX2是膜NADPH氧化酶家族中一個獨(dú)特的亞家族,可催化生成胞外過氧化氫,在甲狀腺激素的合成中必不可少[48]。Damiano等[43]在人CaCo2細(xì)胞系中的研究表明,EGF通過激活ERK1/2-PKC信號通路,調(diào)節(jié)DUOX2的分泌,促進(jìn)細(xì)胞活性氧(reactive oxygen species,ROS)的產(chǎn)生,從而促進(jìn)MUC3的分泌。

綜上可知,EGF可促進(jìn)腸道IL-13及KGF的表達(dá),刺激腸道杯狀細(xì)胞的增殖,進(jìn)而促進(jìn)MUC2的分泌；同時,EGF可通過激活ERK1/2-PKC信號通路,提高DUOX2分泌量,促進(jìn)MUC3和MUC5AC的分泌。

3 小結(jié)與展望

EGF在腸黏膜屏障功能的維持與修復(fù)中發(fā)揮重要作用?；瘜W(xué)屏障是腸道屏障功能中的重要一環(huán),EGF通過調(diào)節(jié)黏蛋白的分泌,促進(jìn)腸道黏液層的形成,發(fā)揮腸黏膜第一道防線作用。EGF對MUC2、MUC3和MUC5AC的表達(dá)具有促進(jìn)作用,但相關(guān)機(jī)制研究尚不深入,如EGF通過何種信號途徑調(diào)控MUC2的表達(dá)目前尚無報道；除了MUC2、MUC3和MUC5AC,EGF是否能促進(jìn)腸道中其他黏蛋白的表達(dá)目前也鮮有報道。因此,EGF調(diào)控MUC2的分子機(jī)制及對其他黏蛋白的調(diào)控作用可成為今后研究的主要方向。

圖1 EGF與腸道屏障的關(guān)系Fig.1 Relationship between EGF and intestinal barrier functions

黏蛋白對動物腸道機(jī)械屏障、微生物屏障及免疫屏障功能的發(fā)揮也具有重要作用（圖1）。黏蛋白可保護(hù)腸黏膜緊密連接結(jié)構(gòu)的完整性；可為分泌型IgA和抗菌肽提供結(jié)合位點(diǎn),促進(jìn)腸黏膜免疫屏障功能的發(fā)揮；可為腸道內(nèi)有益菌提供黏附位點(diǎn),抑制有害微生物的繁殖,維持腸黏膜微生物屏障功能。因此,研究EGF-MUCs-腸道屏障功能之間的復(fù)雜關(guān)系,對進(jìn)一步理解EGF在腸道健康調(diào)節(jié)中的作用具有重要作用。腸炎性疾病是人和動物常見的腸道疾病。EGF對腸炎性疾病具有一定的預(yù)防和治療作用,而黏蛋白也與腸炎性疾病的發(fā)生發(fā)展有關(guān)。EGF是否可通過調(diào)節(jié)黏蛋白的表達(dá)緩解腸炎性疾??？這也值得進(jìn)一步研究?？傊?EGF對黏蛋白的表達(dá)和分泌具有正調(diào)節(jié)作用,其具體機(jī)制的進(jìn)一步探索對闡明EGF在動物腸道健康中的作用具有重要意義。