王希 廖呂釗 江榮林
人或動(dòng)物腸上皮細(xì)胞組成了十分重要的機(jī)械屏障,對(duì)維護(hù)完整的腸黏膜屏障功能具有重要意義。相鄰的上皮細(xì)胞間通過多種蛋白及分子構(gòu)成的連接復(fù)合體,從頂端到基膜依次為緊密連接(TJ)、黏附連接、橋粒連接和縫隙連接等,共同起著加強(qiáng)細(xì)胞間連接功能、組成傳遞信息通道的作用,其中以TJ最為重要。腸上皮細(xì)胞TJ與多種腸道疾病的發(fā)生、發(fā)展以及全身缺血缺氧后出現(xiàn)腸損傷、腸黏膜屏障功能受損等有著密切關(guān)系。近年來,關(guān)于TJ的功能結(jié)構(gòu)及其影響因素的研究日益增多,本文就腸上皮細(xì)胞TJ的蛋白組成、結(jié)構(gòu)功能、調(diào)節(jié)途徑及其影響因素作一系統(tǒng)闡述。
腸上皮細(xì)胞的TJ存在于靠近腸腔側(cè)的上皮細(xì)胞側(cè)面,是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的、由多種蛋白及分子組成、具有多種功能的復(fù)合體,屬于不通透連接。其功能主要有:(1)連接上皮細(xì)胞,封閉細(xì)胞間的空隙;(2)維持細(xì)胞極性,限制細(xì)胞不同液體間的脂質(zhì)和完整膜蛋白的自由擴(kuò)散;(3)維持通透性屏障,只能允許離子和可溶性小分子物質(zhì)通過,限制大分子及微生物通過,并可調(diào)節(jié)離子和大分子物質(zhì)跨細(xì)胞旁路的被動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)。構(gòu)成TJ的蛋白及分子主要包括3種跨膜蛋白,即咬合蛋白(Occludin)、閉合蛋白(Claudins)、連接黏附分子(JAM)及閉合小環(huán)蛋白(ZOs,一種胞漿蛋白),見圖 1。
圖1 腸黏膜上皮細(xì)胞TJ模式圖
1.1 Occludin Occludin有2個(gè)亞型,結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為經(jīng)過4次跨膜,形成2個(gè)細(xì)胞外環(huán)。相鄰細(xì)胞間Occludin胞外環(huán)相互結(jié)合,其胞內(nèi)域的氨基酸殘基富含大量電荷,與ZOs直接結(jié)合,再通過胞漿蛋白與骨架蛋白相互作用[1]。Occludin蛋白通過磷酸化來調(diào)節(jié)TJ復(fù)合體的定位及功能,從而影響TJ的滲透性,同時(shí)有調(diào)節(jié)細(xì)胞黏附及維持細(xì)胞極性等功能。
1.2 Claudins 目前已發(fā)現(xiàn)Claudins有26種異構(gòu)體,聚合于細(xì)胞質(zhì)膜上構(gòu)成TJ復(fù)合物的主鏈,其每一分子均由4個(gè)右螺旋折疊結(jié)構(gòu)的跨膜結(jié)構(gòu)域和2個(gè)胞外環(huán)狀結(jié)構(gòu)組成,這2個(gè)環(huán)狀結(jié)構(gòu)的第一環(huán)大于第二環(huán),有較強(qiáng)的疏水性,且氨基及羧基末端都存在于細(xì)胞內(nèi),通過PDZ結(jié)合域與ZOs分子相連[2]。這2個(gè)細(xì)胞外環(huán)結(jié)構(gòu)是組成TJ的重要結(jié)構(gòu)基礎(chǔ),且影響著TJ條帶形成及離子選擇通透性。
1.3 JAM JAM有4個(gè)異構(gòu)體,而表達(dá)于腸上皮細(xì)胞的是JAM-1、JAM-4。與其他TJ跨膜蛋白不同,JAM 家族分子是單次跨膜蛋白,N-端位于細(xì)胞膜外并具有2個(gè)免疫球蛋白樣環(huán)狀結(jié)構(gòu),即二聚體結(jié)構(gòu)。在腸上皮細(xì)胞表面,一個(gè)JAM二聚體與相鄰細(xì)胞表達(dá)的另一個(gè)JAM二聚體相互作用,形成一個(gè)四聚體,構(gòu)成JAM間相連的結(jié)構(gòu)[3],并通過其PDZ結(jié)構(gòu)域與ZOs形成非Ca2+依賴性連接。
1.4 ZOs ZOs蛋白有3種異構(gòu)體,屬于膜相關(guān)鳥苷酸激酶家族。ZOs位于細(xì)胞質(zhì)內(nèi)膜表面,一端與細(xì)胞質(zhì)內(nèi)Occludin蛋白末端連接,另一端與TJ和細(xì)胞骨架肌動(dòng)蛋白相連。ZOs對(duì)TJ的組成及細(xì)胞屏障通透性的維持有著密切的關(guān)系[4]。
腸上皮細(xì)胞TJ作為信號(hào)中心,一方面調(diào)節(jié)細(xì)胞外環(huán)境與細(xì)胞內(nèi)之間的信息傳遞;另一方面,其本身亦受到細(xì)胞內(nèi)多種信號(hào)通路的調(diào)節(jié),如絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)、蛋白激酶 C(PKC)、肌球蛋白輕鏈激酶(MLCK)、Rho/Rho激酶、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)及轉(zhuǎn)錄活化因子 3(STAT3)、Gα12、芳香烴受體(AhR)等,共同調(diào)節(jié)TJ蛋白的表達(dá),控制TJ蛋白的組裝、分解、磷酸化,影響TJ的結(jié)構(gòu)與功能。
MAPK信號(hào)通路主要包括絲裂原活化蛋白(p38)、細(xì)胞外調(diào)節(jié)蛋白激酶(ERK)、c-Jun氨基末端激酶(JNK)等2條通路,共同參與TJ蛋白及腸上皮屏障功能的調(diào)控[5-6]。蛋白質(zhì)的磷酸化在TJ的組裝過程中起著重要作用,是維持和調(diào)節(jié)細(xì)胞旁通透性的關(guān)鍵,而磷酸化失調(diào)可導(dǎo)致TJ功能嚴(yán)重受損。PKC能使Occludin、Claudins磷酸化,是TJ重要的調(diào)節(jié)途徑[7]。促炎細(xì)胞因子,如血小板活化因子、IFN、IL-1等,通過激活NF-κB誘導(dǎo)MLCK介導(dǎo)的肌球蛋白輕鏈(MLC)磷酸化,細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞膜上的ZOs與Occludin蛋白分離,相鄰細(xì)胞的間隙增大,從而破壞TJ,增加腸道通透性[8]。有研究發(fā)現(xiàn),抑制Rho活性可導(dǎo)致ZOs和Occludin蛋白在TJ處定位降低;相反,Rho激活后能使ZOs和Occludin蛋白在TJ處沉積,從而維持TJ的功能[1]。Gα12屬于三聚體G蛋白家族,通過SH3結(jié)構(gòu)域結(jié)合到ZO-1,Gα12活化能增強(qiáng)TJ蛋白的磷酸化,使TJ蛋白被破壞、Z0-1和Na+-K+-ATP酶的正常分布發(fā)生改變,細(xì)胞極性消失[9]。STAT3是介導(dǎo)細(xì)胞因子信號(hào)通路的重要轉(zhuǎn)錄因子,可與多種細(xì)胞因子相結(jié)合并通過酪氨酸激酶(JAK)/STAT3途徑發(fā)揮誘導(dǎo)細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)作用,通過調(diào)控基因表達(dá)來影響Claudin-1和Occludin 的水平[10]。吲哚并(3,2-B)咔唑-6-甲醛活化 AhR后,通過誘導(dǎo)一系列代謝酶的基因表達(dá),從而影響TJ蛋白ZOs表達(dá)及其在上皮細(xì)胞間的分布[11]。
3.1 腸道疾病相關(guān)影響 多種腸道疾病的發(fā)生,伴隨著腸上皮細(xì)胞TJ的損傷、腸屏障結(jié)構(gòu)及功能的破壞,出現(xiàn)病理性改變。
3.1.1 炎癥性腸病 炎癥性腸病包括潰瘍性結(jié)腸炎、克羅恩病。在發(fā)病時(shí),腸黏膜所產(chǎn)生的大量炎癥細(xì)胞因子、炎癥介質(zhì)等會(huì)損傷腸上皮細(xì)胞,從而誘導(dǎo)上皮細(xì)胞凋亡,并通過多個(gè)通路影響腸上皮細(xì)胞TJ蛋白的表達(dá)及分布,破壞TJ結(jié)構(gòu),造成腸黏膜屏障功能受損[12-13]。此外,腸上皮細(xì)胞TJ結(jié)構(gòu)、蛋白表達(dá)和功能異常還被證實(shí)參與了乳糜瀉和腸道易激綜合征的發(fā)生、發(fā)展[14]。在認(rèn)識(shí)到TJ屏障功能受損可引起一系列腸道疾病的基礎(chǔ)上,已有學(xué)者開始探索如何增強(qiáng)腸上皮細(xì)胞TJ的屏障功能,以減輕和緩解炎癥性腸病的臨床表現(xiàn)。
3.1.2 腸道腫瘤 腸上皮細(xì)胞TJ蛋白表達(dá)異常,與腫瘤的發(fā)生、浸潤和轉(zhuǎn)移有著密切關(guān)系。TJ的完整性遭到破壞,通透性隨之增加,營養(yǎng)因子通過TJ擴(kuò)散,促進(jìn)了腫瘤細(xì)胞的存活及擴(kuò)散。TJ的改變對(duì)腫瘤的診斷、治療及預(yù)后判斷都有著重要的意義,如在大腸癌患者癌組織中腸上皮細(xì)胞TJ蛋白中的Claudin-1明顯高于正常組織,其表達(dá)狀態(tài)與腫瘤的分化、轉(zhuǎn)移、分期有著密切聯(lián)系[15];同樣,Claudin-3可促進(jìn)結(jié)腸癌的惡性轉(zhuǎn)化,其機(jī)制可能是由表皮生長因子激活ERK1/2等途徑而調(diào)控Claudin-3的表達(dá)[16]。
3.1.3 腸道感染 細(xì)菌引起的腸道感染同樣會(huì)影響腸上皮細(xì)胞TJ結(jié)構(gòu)及功能。腸道發(fā)生致病性大腸桿菌感染時(shí),會(huì)改變TJ蛋白Occludin、ZOs及Claudins的分布,破壞腸上皮細(xì)胞TJ超微結(jié)構(gòu),使得TJ的通透性增加[17]?;魜y弧菌能產(chǎn)生一種具有蛋白酶作用的毒素來消化Occludin,從而破壞TJ的完整性。白色念珠菌可通過激活NF-κB、MAPK信號(hào)通路來破壞腸上皮細(xì)胞TJ蛋白的表達(dá)及功能,增加其通透性,影響腸黏膜屏障功能[18]。人類腸道病毒71型是引起手足口病的主要病原體,感染后可使腸上皮細(xì)胞TJ蛋白ZOs表達(dá)減少,改變TJ的排列,增加TJ通透性,促進(jìn)病毒及有害毒素的移位[19]。HIV病毒感染時(shí)可誘發(fā)腸上皮細(xì)胞內(nèi)的NF-κB激活,減少ZO-1表達(dá),進(jìn)而影響其他TJ蛋白的表達(dá)及合成,使得TJ結(jié)構(gòu)完整性遭到破壞,腸黏膜屏障通透性增加[20]。
3.2 缺血再灌注損傷 目前研究已經(jīng)證實(shí),在多種病理?xiàng)l件下,如膿毒癥、感染性休克、嚴(yán)重創(chuàng)傷、腹部手術(shù)等引起腸黏膜缺血再灌注損傷,均會(huì)導(dǎo)致腸黏膜屏障結(jié)構(gòu)和功能受損。研究發(fā)現(xiàn)腸黏膜缺氧會(huì)引起腸黏膜炎癥,釋放大量的炎癥因子如 TNF-α、INF-γ、IL-1、IL-6和氧自由基等,這些炎癥因子進(jìn)一步加重缺氧,造成腸黏膜屏障功能受損[21]。研究發(fā)現(xiàn)TNF-α單獨(dú)作用即可引起腸黏膜屏障功能損害,其機(jī)制可能是通過誘導(dǎo)腸上皮細(xì)胞的MLCK蛋白表達(dá),從而引起MLC磷酸化增加及TJ蛋白ZO-1、Occludin、Claudin-1重新分布,最終導(dǎo)致腸黏膜屏障功能損害[22]。
3.3 腸道菌群 健康的人腸道內(nèi)各種細(xì)菌共生,形成了一個(gè)動(dòng)態(tài)的微生物區(qū)系,當(dāng)大量外源致病菌入侵腸道或腸道內(nèi)正常的微生物菌群被破壞時(shí)會(huì)引起腸道菌群失調(diào),進(jìn)而通過多種方式破壞TJ,誘導(dǎo)腸上皮細(xì)胞凋亡、增加腸上皮細(xì)胞間的通透性,進(jìn)一步促進(jìn)病原菌、毒素等易位,引發(fā)內(nèi)源性感染。王宏剛等[23]在多黏菌素E誘導(dǎo)腸道菌群失調(diào)的研究中發(fā)現(xiàn),各菌群的數(shù)量和比例發(fā)生明顯變化,雙歧桿菌、乳桿菌等有益菌受到抑制,腸桿菌、腸球菌等條件致病菌大量繁殖,從而黏附和定植于腸黏膜,破壞并突破腸上皮細(xì)胞TJ,導(dǎo)致細(xì)菌易位。此外,有研究證明益生菌等對(duì)病原菌感染、炎癥性腸病等多種原因引起的TJ破壞及腸黏膜損傷均具有保護(hù)與修復(fù)作用,其通過直接促進(jìn)腸上皮細(xì)胞TJ蛋白表達(dá)或間接通過抑制多種細(xì)胞因子如IL-6、IFN-γ、NO等信號(hào)傳導(dǎo)通路來調(diào)節(jié)TJ蛋白表達(dá),進(jìn)而降低腸黏膜的通透性,阻止病原菌對(duì)腸黏膜屏障功能的損傷[24-27]。
3.4 激素影響 目前研究證明,多種激素參與腸上皮細(xì)胞的TJ及腸黏膜屏障功能的調(diào)節(jié)及修復(fù)過程。如生長激素(GH)、生長抑素(SST)、腎上腺髓質(zhì)激素(AM)、糖皮質(zhì)激素(GCS)、雌激素(EH)等。GH具有明顯促進(jìn)蛋白質(zhì)合成的作用,GH受體在腸道吸收細(xì)胞、隱窩基底柱狀細(xì)胞和腸道內(nèi)分泌細(xì)胞等均有大量分布。研究表明GH可激活MAPK/ERK、MAPK/JNK等通路,調(diào)節(jié)TJ蛋白磷酸化,進(jìn)而影響TJ結(jié)構(gòu)及功能[28]。腸上皮細(xì)胞是SST重要的靶細(xì)胞,表達(dá)多種生長抑素受體(SSTR),SST通過與腸上皮的SSTR結(jié)合而發(fā)揮生物作用,通過抑制MAPK/ERK通路的激活而明顯改善脂多糖引起的腸上皮細(xì)胞TJ蛋白表達(dá)及分布異常,并增加Occludin、ZOs的表達(dá),改善腸上皮細(xì)胞屏障功能[29]。有研究表明,AM可通過下調(diào)肌球蛋白輕鏈的磷酸化而調(diào)節(jié)TJ蛋白表達(dá),從而穩(wěn)定腸黏膜屏障功能[30]。田鑄等[31]發(fā)現(xiàn)在缺氧/復(fù)氧條件下,AM可上調(diào)TJ蛋白的表達(dá),減輕腸上皮屏障功能的破壞,其機(jī)制可能與抑制NF-κB有關(guān)。GCS可通過激活GCS受體而抑制腸道炎癥,保護(hù)TJ結(jié)構(gòu)與功能的完整[32]。EH通過雌激素受體β(ERβ)上調(diào)Occludin和JAM-1的表達(dá),從而降低細(xì)胞旁的通透性[33]。
3.5 中醫(yī)措施 在我國傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)中,中藥、針灸對(duì)腸上皮細(xì)胞TJ功能結(jié)構(gòu)的完整以及相關(guān)疾病的治療同樣發(fā)揮著獨(dú)特的作用。有研究發(fā)現(xiàn),健脾清熱活血方藥可能通過增加Claudins的表達(dá)來促進(jìn)腸黏膜修復(fù),以達(dá)到緩解潰瘍性結(jié)腸炎的效果[34]。翟金海等[35]發(fā)現(xiàn),運(yùn)用清腸化濕方藥可抑制大鼠結(jié)腸組織中TNF-α水平,從而降低對(duì)Claudins的破壞,起到治療大鼠結(jié)腸炎的作用。Shang等[36]發(fā)現(xiàn)在治療克羅恩病患者的過程中,針刺天樞、氣海、足三里、上巨虛等穴位時(shí),可增加TJ中Claudin-1、ZO-1表達(dá),促進(jìn)TJ結(jié)構(gòu)及功能的修復(fù)。
腸上皮細(xì)胞TJ是構(gòu)成腸黏膜屏障中機(jī)械屏障的重要組成部分之一,對(duì)維持腸屏障結(jié)構(gòu)與功能的完整性具有重要意義。隨著對(duì)腸上皮細(xì)胞TJ的深入研究,尤其是對(duì)TJ結(jié)構(gòu)、功能機(jī)制以及其影響因素的探索,為感染、腫瘤、炎癥性腸病、缺血再灌注損傷等相關(guān)疾病的防治提供了新思路。在傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)中,中藥、針刺相關(guān)穴位等對(duì)于維持腸上皮細(xì)胞TJ功能結(jié)構(gòu)的完整性同樣有著促進(jìn)作用,從而防治腸上皮細(xì)胞間TJ結(jié)構(gòu)功能異常相關(guān)疾病。今后在消化系統(tǒng)及危重病的臨床診治中,將有越來越多的措施關(guān)注與改善腸黏膜上皮細(xì)胞TJ,從而保護(hù)腸黏膜屏障功能并改善疾病預(yù)后。
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